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科学故事与哲理——碳纤维
发布时间:2019-08-31 点击: 次   编辑:zdcfrp.com
碳纤维以有机纤维为原丝,在隔绝氧气的惰性环境中,原丝经高温熔烧,加以张力牵伸,使链状分子脱掉大部分氢、氮等小分子,发生分子“环化”,并在较大的程度上,按同一方向整齐排列。经过这样处理以后,有机纤维就变成了碳纤维。它是黑色细丝,单根丝直径约七到九微米。通常人们以束丝形式进行生产和应用,每束丝根据需要可由一千至数万根单丝组成。

碳纤维的种类很多,由于采用的原料和制造工艺的不同,制造出的碳纤维的质地和性能也不同。碳纤维可以分为碳纤维和石墨纤维两种。炭纤维通常是指有机纤维在2000癈以下碳化而制得的纤维。从结构上看,它还没有变成石墨,一般碳纤维含有75~95%的碳。这类纤维由于处理温度较低,因此,成本也较低。石墨纤维是指有机纤维在2000C以上的高温下碳化而制得的纤维。这类纤维的结构与石墨相似。石墨的导电性能比炭好,因此,石墨纤维的导电性能也比碳纤维好,并且表面上还有金属光泽。由于石墨的处理温度比碳纤维高,因此含碳量也很高,约98~99%以上,杂质极少。

现代科学技术的发展,对材料提出了高强度,高模量,耐高温和低密度的要求。碳纤维恰恰是当前最理想的一种“三高一低”优异材料。碳纤维是一种比蜘蛛丝还细,比铝还轻,比钢还坚固,而又比不锈钢还耐腐蚀,比耐热钢还要漏高温,又能如铜那样导电的新型材料,有了这种材料,今天许多想象中的科学概念和技术设想,就可以奇迹般地变成现实了。钢铁在金属中算是坚固的了,然而碳纤维的抗变形能力要比钢大两倍多,它的抗拉强度要比钢铁高四倍多。

按它的强度计算,每平方厘米的表面积上可以承受30~40吨拉力,一根用碳纤维编的手指一样粗的绳子可以吊起一个几十吨重的火车头,而同样粗细的钢丝绳却只能吊起十几吨重的东西。铝合金在金属中一直享有又轻又坚固的声誉,可是碳纤维的弹性模量比铝合金要高五至六倍,一条铝合金片用手一折就弯了,但如果在这铝合金片上粘贴一层几分之一毫米厚的碳纤维和塑料的复合材料,就很难折弯它了,碳纤维的强度比铝合金要高六至七倍,而重量却只有铝合金的一半。所以一吨碳纤维制成的复合材料就可以顶十六吨钢材或十二吨铝合金使用。

 

碳纤维既能耐低温又能耐高温,在-180C的低温下许多材料都变脆,就连平时很坚固的钢铁这时也脆得比玻璃还容易破碎,而石墨纤维在这么低的温度下却依旧是很柔软的。在3000~4000℃的高温下,最好的耐热钢也早已化成钢水,但是在没有氧气的情况下,碳纤维依然是巍然不动。此外,碳纤维还具有良好的耐腐蚀性能,优良的电学和热力学性能。

它在常温下具有良好的导热性,但随温度升高,导热性能急剧下降,在2000C下,其导热系数仅为黏土材料的十分之一。碳纤维自润滑性能好,摩擦系数小,耐磨性好等优点。因此,碳纤维的出现,打破了金属材料几千年来一直称王称霸的垄断局面,成为现代尖端技术中不可缺少的组成部分。

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