碳纖維材料的特新和應用領域

　　碳纖維(Carbon Fiber)是一種由碳原子組成的高強度、輕質材料，是一種含碳量在90%以上的高分子纖維狀碳材料，具有出色的力學性能和物理特性。碳纖維因其獨特的優點，在航空航天、汽車、體育器材、建筑加固等多個領域得到廣泛應用。

　　一、化學組成與結構

　　碳纖維是一種由聚丙烯腈(PAN)、瀝青或人造絲等前驅體材料在高溫下熱解而成的纖維狀材料。碳纖維的直徑通常在5到10微米之間，長度可以根據需要裁剪。碳纖維主要由碳元素組成，其分子結構介于石墨與金剛石之間，微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。根據含碳量的不同，碳纖維可分為含碳量約95%的碳纖維和含碳量99%以上的石墨纖維。

　　二、特性

　　1、高強度：碳纖維的抗拉強度非常高，抗拉強度一般都在3500Mpa以上，可以達到鋼的幾倍甚至十幾倍。

　　2、輕質：碳纖維的密度很低，大約只有鋼的五分之一。因此比強度和比模量高。

　　3、高模量：碳纖維的彈性模量(剛性)很高，接近于鋼，但重量更輕。模量可達2300043000Mpa，亦高于鋼。

　　4、耐腐蝕性：碳纖維對大多數化學物質具有很好的耐腐蝕性。

　　5、耐高溫性：碳纖維在高溫下仍能保持其力學性能，溫度高于1500時強度才開始下降。同時耐低溫性能良好，在液氮溫度下也不脆化。

　　6、導電性：某些類型的碳纖維具有良好的導電性。碳纖維的導電和導熱性能介于非金屬和金屬之間。

　　7、導熱性：碳纖維具有良好的導熱性。

　　8、低熱膨脹系數：碳纖維的熱膨脹系數很低，這意味著它在溫度變化時尺寸變化很小。碳纖維的熱膨脹系數具有各向異性的特點，平行于纖維方向是負值，而垂直于纖維方向是正值。

　　三、制備方法

　　1、聚丙烯腈(PAN)基碳纖維：

　　預氧化：將聚丙烯腈纖維在空氣中加熱至200-300C，使其轉化為一種不易燃的中間態。

　　碳化：進一步加熱至1000-3000C，使纖維中的非碳元素揮發掉，留下幾乎純碳的纖維。

　　2、瀝青基碳纖維：

　　中間相瀝青：將瀝青在高溫下處理，使其轉變為中間相瀝青。

　　紡絲：將中間相瀝青紡絲成纖維。

　　碳化：加熱至高溫使纖維中的非碳元素揮發掉。

　　3、人造絲基碳纖維：

　　紡絲：將人造絲紡絲成纖維。

　　碳化：加熱至高溫使纖維中的非碳元素揮發掉。

　　碳纖維的原料主要有聚丙烯腈(PAN)纖維、瀝青纖維和粘膠纖維等。其中，聚丙烯腈基碳纖維具有生產工藝成熟、綜合性能好和生產成本較低的優勢，產量占碳纖維全部產量的90%以上。

　　制備過程：纖維紡絲：將原料加工成纖維狀。熱穩定化(預氧化)：在200~400下進行氧化處理，使纖維穩定化。碳化：在400~1400的氮氣氣氛下進行碳化處理，使纖維中的碳含量進一步提高。石墨化(可選)：在1800以上的氬氣氣氛下進行石墨化處理，進一步提高纖維的性能。

　　四、應用領域

　　碳纖維材料憑借其輕質、高強度、高剛度、耐高溫、耐腐蝕等優異性能，在眾多領域得到了廣泛應用：

　　1、航空航天：用于制造飛機、火箭等航空航天器的結構部件，如機翼、機身、尾翼、彈體整流罩等，顯著減輕重量，提高強度，提高飛行性能和燃料效率。火箭部的殼體、噴嘴等部件。

　　2、汽車工藝：碳纖維復合材料用于制造汽車的車身、底盤、內飾等部件，有效減輕汽車重量，提高燃油效率和行駛性能。同時，碳纖維的高強度和抗沖擊性能也為汽車的安全性提供了有力保障。

　　3、電子產品：碳纖維復合材料用于制造輕質高強度的手機外殼，用于制造輕質高強度的筆記本電腦外殼。

　　4、船舶制造：用于制造高速船舶的船體結構，提高船舶的速度和燃料經濟性。此外，碳纖維材料還具有良好的抗腐蝕性能，可以延長船舶的使用壽命。

　　5、建筑結構：用于制造建筑結構的支撐和加固材料，提高建筑物的抗震性能。同時，碳纖維材料還可以用于建筑外墻的裝飾和保溫材料。

　　6、醫療器械：用于制造輕質高強度的假肢，也可用于制造輕質高強度的手術器械。

　　7、體育用品：用于制造高爾夫球桿、網球拍、自行車等高端運動器材，使器材更加靈活輕便，提高運動員的表現和競爭力。

　　8、風力發電：用于制造風力發電機葉片，顯著減輕重量，提高發電效率，降低維護成本。

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