碳纤维材料特质

物理性质
碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,
碳纤维
碳纤维
是一种的力学性能优异的新材料。碳纤维拉伸强度约为2到7GPa,拉伸模量约为200到700GPa。密度约为1.5到2.0克每立方厘米,这除与原丝结构有关外,主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温3000℃石墨化处理,密度可达2.0克每立方厘。再加上它的重量很轻,它的比重比铝还要轻,不到钢的1/4,比强度是铁的20倍。碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同,它有各向异性的特点。碳纤维的比热容一般为7.12。热导率随温度升高而下降平行于纤维方向是负值(0.72到0.90),而垂直于纤维方向是正值(32到22)。碳纤维的比电阻与纤维的类型有关,在25℃时,高模量为775,高强度碳纤维为每厘米1500。这使得碳纤维在所有高性能纤维中具有最高的比强度和比模量。同钛、钢、铝等金属材料相比,碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点,可以称为新材料之王。[3]  [10-11] 
碳纤维除了具有一般碳素材料的特性外,
碳纤维编织布
碳纤维编织布
其外形有显著的各向异性柔软,可加工成各种织物,又由于比重小, 沿纤维轴方向表现出很高的强度,碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。[11]  碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500兆帕以上,是钢的7到9倍,抗拉弹性模量为230到430G帕亦高于钢;因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000兆帕以上,而A3钢的比强度仅为59兆帕左右,其比模量也比钢高。与传统的玻璃纤维相比,杨氏模量(指表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量)是玻璃纤维的3倍多;与凯芙拉纤维相比,不仅杨氏模量是其的2倍左右。碳纤维环氧树脂层压板的试验表明,随着孔隙率的增加,强度和模量均下降。孔隙率对层间剪切强度、弯曲强度、弯曲模量的影响非常大;拉伸强度随着孔隙率的增加下降的相对慢一些;拉伸模量受孔隙率影响较小。
碳纤维还具有极好的纤度(纤度的表示法之一是9000米长纤维的克数),一般仅约为19克,拉力高达300kg每微米。几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能, 因此在旨度、刚度、重度、疲劳特性等有严格要求的领域。在不接触空气和氧化剂时,碳纤维能够耐受3000度以上的高温,具有突出的耐热性能,与其他材料相比,碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降,而且温度越高,纤维强度越大。碳纤维的径向强度不如轴向强度,因而碳纤维忌径向强力(即不能打结)而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。另外碳纤维还具有良好的耐低温性能,如在液氮温度下也不脆化。[3]  [13] 
化学性质
碳纤维的化学性质与碳相识,它除能被强氧化剂氧化外,对一般碱性是惰性的。在空气中温度高于400℃时则出现明显的氧化,生成CO与CO2。[7-8]  碳纤维对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性,不溶不胀,耐蚀性出类拔萃,完全不存在生锈的问题。[11]  有学者在1981年将PAN基碳纤维浸泡在强碱氢氧化钠溶液中,时间已过去30多年,它仍保持纤维形态。但其耐冲击性较差,容易损伤,在强酸作用下发生氧化,碳纤维的电动势为正值,而铝合金的电动势为负值。当碳纤维复合材料与与铝合金组合应用时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。[4]  碳纤维还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性
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