21世纪的“新材料之王”——碳纤维

2021-08-27 20:00:24 admin

碳纤维被誉为21世纪的“新材料之王”，最初用于航空航天等高端行业，近年来，随着技术的成熟和成本的下降，碳纤维逐渐卸下“高冷”面具，越来越多地应用在民用及消费类产品等各个领域。

根据广州赛奥发布的2020年碳纤维市场报告显示，2020年，国内碳纤维需求4.88万吨，同比增长29%，国产纤维占比38%，同比增长53.8%。由于国内大力发展风电产业，碳纤维市场供不应求，增长迅速，国产占比也在逐年增加。下面我们就从碳纤维的种类、性能以及应用，来了解这种高性能纤维。

一、碳纤维的种类和性能

碳纤维（Carbon Fiber，简称 CF）是有机纤维（粘胶基、沥青基、聚丙烯腈基纤维等）在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构的无机纤维，是一种含碳量高于 90%的无机纤维。不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

1. 碳纤维的分类

碳纤维可以按照原丝种类、力学性能、丝束规格等进行分类。

其中，PAN基碳纤维由于生产工艺相对简单，产品力学性能优异，用途广泛，占碳纤维总量的90%以上；沥青基、粘胶基、酚醛基的产量规模较小。碳纤维的性能在很大程度上决定于原丝的质量。

通用型碳纤维强度为1000MPa，模量为100GPa左右，高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa）和高模型（300GPa）

一般按照碳纤维中单丝根数与 1000 的比值命名，如12K、24K。

2. 碳纤维的主要性能特点

1）比重轻，密度是钢的 1/4，是铝合金的 1/2 ；

2）强度高，抗拉强度在 3500 MPa 以上，比强度为钢的10 倍；

3）模量高，弹性模量在 230 GPa 以上；

4）耐超高温，在非氧化气氛条件下，可在 2000℃时使用；

5）耐低温，在-180℃低温下，碳纤维依旧具有弹性；

6）耐酸、耐油、耐腐蚀、耐久性强；

7）热膨胀系数小，导热系数大，耐急冷急热，即使从 3000℃的高温突然降到室温也不会炸裂；

8）耐磨性好；

9）导电性能良好。

3. 碳纤维的应用形式

目前已经成熟的碳纤维应用形式有四种：

1）碳纤维：主要以“缠绕成形法”应用为主；

2）碳纤维织物：主要以“树脂转注成形法”应用为主；

3）碳纤维预浸料：将连续碳纤维或碳纤维织物经树脂浸渍、加热和塑化，成为预浸料；

4）短切碳纤维：短纤维与塑料、金、橡胶等材料进行复合，以增强材料的强度和耐磨性。

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