碳纖維的發(fā)明距今已有120余年的歷史了。愛迪生于1879年將棉紗進(jìn)行碳化而制成最初的碳纖維。當(dāng)時(shí)是將其作為電燈泡的燈絲，因其質(zhì)脆易碎，后由鎢絲取代，但碳纖維的低密度、高模量、耐高溫等特性引起了人們的普遍關(guān)注。目前已形成了以粘膠、腈綸和瀝青三種材料為基材的三大類碳纖維。近年來，有人采用聚乙烯、聚酰胺和酚醛制取碳纖維，或以低分子碳?xì)浠衔锿ㄟ^熱裂解得到氣相沉積須晶狀碳纖維。
碳纖維是指含碳量在90％以上的高強(qiáng)度、高模量、耐高溫纖維。它的直徑只有6-8微米，是由許多微晶體堆砌而成的多晶體，微晶體的厚度為4-10納米，長度為10-25納米，每個(gè)微晶體由約12-30個(gè)層面組成。結(jié)構(gòu)類似石墨，其軸向的強(qiáng)度和模量均比石墨高得多，而徑向強(qiáng)度和模量比石墨相對較低。
由于至今尚未找到一種能夠溶解碳的溶劑，要使碳熔融必須在100個(gè)大氣壓和3800℃以上的高溫時(shí)才能實(shí)現(xiàn)，所以，目前還不能沿用合成纖維的生產(chǎn)方式由元素碳直接制成碳纖維。而只能從有機(jī)纖維的碳化來制取。工業(yè)化生產(chǎn)以聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量最好，其產(chǎn)量約占碳纖維總產(chǎn)量的90%左右，生產(chǎn)條件相對簡便；用粘膠纖維絲制造高強(qiáng)度碳纖維，生產(chǎn)條件苛刻，故產(chǎn)量已逐步減少；瀝青基碳纖維性能較差。但生產(chǎn)成本低，處于發(fā)展之中。根據(jù)不同的使用要求，采用不同的碳化溫度，碳纖維可分為三種類型：
(1)普通型碳纖維 它是指在900一1200℃下碳化得到的碳纖維，其強(qiáng)度和彈性模量都較低，一般強(qiáng)度低于1．98N／tex，模量小于134．62N／tex。
(2)高強(qiáng)度型碳纖維 它是指在1300-1700℃下碳化得到的碳纖維，它的強(qiáng)度很高，可與芳綸1414相媲美。達(dá)到2．84N／tex，模量約為138．42-166．10N／tex。
(3)高模量型碳纖維 又稱為石墨纖維，它是指在碳化后再經(jīng)2500℃以上高溫石墨化處理所得到的碳纖維。它具有較高的強(qiáng)度，約為2．17N／tex，模量一般高達(dá)171．07N／tex以上，有的甚至高達(dá)327N／tex。
碳纖維具極佳的耐熱性和耐高溫性(可耐2000℃高溫)，熱膨脹系數(shù)幾乎為零。它的升華溫度高達(dá)3650℃左右。但在空氣中當(dāng)溫度高于400℃時(shí)即發(fā)生明顯的氧化。碳纖維還具有自潤滑性，其摩擦系數(shù)小，耐磨性能好，耐沖擊性強(qiáng)。碳纖維的耐腐蝕性高于玻璃纖維。在金屬中加入碳纖維制成的復(fù)合材料，可大大提高其耐磨性，抗沖擊性和耐疲勞性，而重量卻輕得多。
碳纖維一般不單獨(dú)使用，而是將其作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬或陶瓷等基體中作為復(fù)合材料其主要用途有：
(1)在宇航方面它是制造宇宙飛船、航空飛行器、運(yùn)載火箭等作固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、衛(wèi)星殼體、衛(wèi)星支架結(jié)構(gòu)和連接支架等的重要結(jié)構(gòu)材料。
(2)在航空方面碳纖維復(fù)合材料是高速飛機(jī)、直升飛機(jī)和大型客機(jī)的骨架材料和結(jié)構(gòu)材料，可用作飛機(jī)機(jī)倉地板、減速板、直升機(jī)漿葉、機(jī)翼、剎車片等。
(3)在軍事領(lǐng)域主要用作導(dǎo)彈和潛水艇的結(jié)構(gòu)材料，及防雷達(dá)偽裝罩等。
(4)在交通運(yùn)輸方面，用作車身、車輪、卡車大梁、傳動(dòng)軸、減速器、發(fā)動(dòng)機(jī)翼和小船桅桿等骨架。
(5)在土木建筑方面，如超高層建筑，外墻摻入碳纖維的混凝土不僅強(qiáng)度高、重量輕，而且防水、抗震能力強(qiáng)。橋墩、地下停車場、橋梁等可用碳纖維做材料加固或修補(bǔ)。
(6)在醫(yī)療和體育方面主要用于醫(yī)療器材、人造關(guān)節(jié)、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、釣魚竿、跳高撐竿及登山探險(xiǎn)裝置等。
(7)在機(jī)電方面用于特珠要求的軸承材料、耐磨部件、氣體離心機(jī)的轉(zhuǎn)子，超高壓輸電架空線、大容量計(jì)算機(jī)信息庫等。
(8)在紡織機(jī)械方面有自動(dòng)針織橫機(jī)的滑塊、劍桿織機(jī)的劍桿頭和劍桿帶、軸承、凸輪、齒輪、活塞等零部件，其耐磨度和強(qiáng)度得到顯著提高，且重量輕。
來源：北京科技之窗
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