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        纖維原料
        你了解么?碳纖維的世界竟是如此神奇!
        時間:2015年4月7日

        碳纖維是一種輕質高強度的材料,在汽車和飛機上就有很多碳纖維材料組件。它可以被用來制造幾乎任何東西,自行車、高爾夫球桿甚至錢包,都可以用碳纖維制造。不過由于其制備工藝的復雜性和原料的高成本,目前碳纖維應用還不廣泛。

        1、復雜的工藝流程

        碳纖維也可以被稱為“復合材料”,它是一種非常精巧的材料,具有非常卓越的性能。在同等尺寸大小下,碳纖維往往比金屬的硬度更強,密度更小,這就是為什么碳纖維常常被用于車體外板和噴射式渦輪當中的原因。硬度這個性質其實包括了很多衡量指標。具體來說,碳纖維的抗張強度(即對抗拉伸的能力)是鋼的4倍,鋁的8倍。而它抗彎曲的能力也比鋼材和鋁材大得多。并且,盡管碳纖維強度很大,但是它的質量卻并不重,相反地,碳纖維的質量只有同體積鋼的三分之一。

        碳纖維的優異性能得益于它的組成物和制備時添加的膠或環氧樹脂,碳纖維是由處理過的碳素長絲制成的,碳絲的厚度比人的頭發還要細。制備時添加的環氧樹脂能夠讓各種材料充分混合,并“硬化”。其制備方法大同小異,都需要經過上述的“原絲制備和上漿”過程。

        沒有添加樹脂的原絲還稱不上是碳纖維。將碳纖維浸泡在環氧樹脂中,并用使之成型。長線軸中的原絲是被冷處理過的,為了防止樹脂固化,而當這些原絲被放置在模具表面上時,機械會瞬間加熱它,讓它馬上固化。

        在經過原絲制備、上漿處理后,等到碳纖維固化了,產品就真正做好了。碳纖維在固化過程中可能會發生化學反應,生成原絲材料中不含碳的物質,導致纖維顆粒之間的團聚作用力更加強。

        用碳纖維材料制成的渦輪組件

        2、為什么是“碳”纖維?

        碳纖維往往在需要剛度和輕質的地方卻是無可替代的,這可能是因為碳原子的特性,科學研究表明碳原子非常容易和其他原子成鍵。

        碳元素是一種非常有意思的元素,自然界中最堅硬的東西(金剛石)是碳單質,硬度最低的物質之一(石墨)也是碳單質。一般來說,用碳制備的材料和用其他單質制得的材料物性一樣,都跟原子/分子成鍵的方式以及原子/分子團聚的方式有關。

        碳原子間的成鍵方式決定了材料的性質。對石墨材料,碳原子是一層層堆積的,同一平面上的碳原子間所成的鍵非常強,但平面間的碳原子所成的鍵比較弱,這使得石墨材料非常容易分離(也使得石墨導電性能非常好)。而對于金剛石,碳原子成的鍵是三維的,晶胞屬于四方晶格,盡管單個鍵的鍵能比石墨的鍵能要低,但是它所有方向的鍵能都是相同的(表面原子除外),因此材料整體顯得堅硬得多。

        石墨的晶胞屬于六方晶系

        碳纖維的原絲制備使用的原材料中,最常用的是聚丙烯氰纖維,即“PAN”,由C、H、N三種元素組成。得到的原絲非常的細,一般不到10微米厚。原料中的碳原子結構類似石墨分子,并會在處理過程中變為牢固的六方結構。

        3、織布機上開出的“碳纖維之花”

        碳纖維的布狀紋理和結構決定了它無法輕易成型,而成型是制備過程中必須經過的一步。通常情況下,碳纖維是被織布機“紡織”成型的。

        不過除了這種紡織成型的方式外,還有一種利用模具成型的方式。碳纖維“布”通常都會有特殊的紋理和圖案,這些導致了布本身的性質有差異。對某種特定的布,它可能在水平和豎直方向上的抗拉強度都不錯,但在對角線放上卻很容易發生形變。不同的碳纖維布會在不同的軸方向上體現出抗拉性,但總有一個方向的抗拉強度并不高。

        當然,完全成型的碳纖維在任何方向上的抗拉強度都是很大的。通常,會將不同紋理的碳纖維布疊在一起成型,這樣一來,得到的產物就在各個方向上都能達到預期的抗壓強度,讓整個碳纖維都顯得很堅硬。

        4、碳纖維的“缺陷”

        碳纖維材料也有一個缺點,那就是它的脆性可能很大。盡管碳纖維的強度很高,但是它的晶格結構比剛和鋁更容易破碎。

        為什么不用碳纖維來制備所有的東西呢?跟成本有很大關系。碳纖維的制備工藝決定它并不能像其他化工產品一樣大量生產,它的工藝流程非常的復雜(包括原絲制備,上漿,固化)。除此之外,碳纖維制備使用的原料也并不便宜。

        所以,這并不是碳纖維材料的問題,只要負擔得起高昂的成本,你可以用碳纖維制造任何你想要的物品。比如買自行車,只要你愿意付比鋁材自行車多3到10倍的價錢,那么你當然可以擁有一輛碳纖維自行車。在進口車輛中,碳纖維材料非常的常見,甚至一些非常平價的車,比如雪佛蘭科爾維特,也使用了碳纖維材料,只要不在意價錢,你能為你的愛車買到各種碳纖維組件,也能為你自己買到各種碳纖維生活用品。

        特別是在航天等高科技領域,碳纖維的性價比是非常高的。最新的空客和波音飛機(波音787和空客A350)的扇渦輪片都使用大量的碳纖維材料。碳纖維卓越的性能,輕質、強度高,完全抵消了制造成本高的瑕疵。波音公司在787的生產過程中發現,通常碳纖維材料并不像金屬材料一樣會出現焊接紋或裂紋,而在42架等待交付的飛機的翼板上卻發現碳纖維材料出現了應力破裂,因而不得不返工,原因顯示在縫隙間沒有填充墊片,導致應力過大??磥硇虏牧系膽靡彩且豁椇苡刑魬鹦缘墓ぷ?。

        (來源:新材料在線)

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