碳纤维材料的特新和应用领域

　　碳纤维(Carbon Fiber)是一种由碳原子组成的高强度、轻质材料，是一种含碳量在90%以上的高分子纤维状碳材料，具有出色的力学性能和物理特性。碳纤维因其独特的优点，在航空航天、汽车、体育器材、建筑加固等多个领域得到广泛应用。

　　一、化学组成与结构

　　碳纤维是一种由聚丙烯腈(PAN)、沥青或人造丝等前驱体材料在高温下热解而成的纤维状材料。碳纤维的直径通常在5到10微米之间，长度可以根据需要裁剪。碳纤维主要由碳元素组成，其分子结构介于石墨与金刚石之间，微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。根据含碳量的不同，碳纤维可分为含碳量约95%的碳纤维和含碳量99%以上的石墨纤维。

　　二、特性

　　1、高强度：碳纤维的抗拉强度非常高，抗拉强度一般都在3500Mpa以上，可以达到钢的几倍甚至十几倍。

　　2、轻质：碳纤维的密度很低，大约只有钢的五分之一。因此比强度和比模量高。

　　3、高模量：碳纤维的弹性模量(刚性)很高，接近于钢，但重量更轻。模量可达2300043000Mpa，亦高于钢。

　　4、耐腐蚀性：碳纤维对大多数化学物质具有很好的耐腐蚀性。

　　5、耐高温性：碳纤维在高温下仍能保持其力学性能，温度高于1500时强度才开始下降。同时耐低温性能良好，在液氮温度下也不脆化。

　　6、导电性：某些类型的碳纤维具有良好的导电性。碳纤维的导电和导热性能介于非金属和金属之间。

　　7、导热性：碳纤维具有良好的导热性。

　　8、低热膨胀系数：碳纤维的热膨胀系数很低，这意味着它在温度变化时尺寸变化很小。碳纤维的热膨胀系数具有各向异性的特点，平行于纤维方向是负值，而垂直于纤维方向是正值。

　　三、制备方法

　　1、聚丙烯腈(PAN)基碳纤维：

　　预氧化：将聚丙烯腈纤维在空气中加热至200-300C，使其转化为一种不易燃的中间态。

　　碳化：进一步加热至1000-3000C，使纤维中的非碳元素挥发掉，留下几乎纯碳的纤维。

　　2、沥青基碳纤维：

　　中间相沥青：将沥青在高温下处理，使其转变为中间相沥青。

　　纺丝：将中间相沥青纺丝成纤维。

　　碳化：加热至高温使纤维中的非碳元素挥发掉。

　　3、人造丝基碳纤维：

　　纺丝：将人造丝纺丝成纤维。

　　碳化：加热至高温使纤维中的非碳元素挥发掉。

　　碳纤维的原料主要有聚丙烯腈(PAN)纤维、沥青纤维和粘胶纤维等。其中，聚丙烯腈基碳纤维具有生产工艺成熟、综合性能好和生产成本较低的优势，产量占碳纤维全部产量的90%以上。

　　制备过程：纤维纺丝：将原料加工成纤维状。热稳定化(预氧化)：在200~400下进行氧化处理，使纤维稳定化。碳化：在400~1400的氮气气氛下进行碳化处理，使纤维中的碳含量进一步提高。石墨化(可选)：在1800以上的氩气气氛下进行石墨化处理，进一步提高纤维的性能。

　　四、应用领域

　　碳纤维材料凭借其轻质、高强度、高刚度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在众多领域得到了广泛应用：

　　1、航空航天：用于制造飞机、火箭等航空航天器的结构部件，如机翼、机身、尾翼、弹体整流罩等，显著减轻重量，提高强度，提高飞行性能和燃料效率。火箭部的壳体、喷嘴等部件。

　　2、汽车工艺：碳纤维复合材料用于制造汽车的车身、底盘、内饰等部件，有效减轻汽车重量，提高燃油效率和行驶性能。同时，碳纤维的高强度和抗冲击性能也为汽车的安全性提供了有力保障。

　　3、电子产品：碳纤维复合材料用于制造轻质高强度的手机外壳，用于制造轻质高强度的笔记本电脑外壳。

　　4、船舶制造：用于制造高速船舶的船体结构，提高船舶的速度和燃料经济性。此外，碳纤维材料还具有良好的抗腐蚀性能，可以延长船舶的使用寿命。

　　5、建筑结构：用于制造建筑结构的支撑和加固材料，提高建筑物的抗震性能。同时，碳纤维材料还可以用于建筑外墙的装饰和保温材料。

　　6、医疗器械：用于制造轻质高强度的假肢，也可用于制造轻质高强度的手术器械。

　　7、体育用品：用于制造高尔夫球杆、网球拍、自行车等高端运动器材，使器材更加灵活轻便，提高运动员的表现和竞争力。

　　8、风力发电：用于制造风力发电机叶片，显著减轻重量，提高发电效率，降低维护成本。

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