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碳纤维复合材料的概念,碳纤维复合材料的由来

碳纤维复合材料的概念,碳纤维复合材料的由来

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  • 发布时间:2021-03-29 11:01
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【概要描述】什么是碳纤维复合材料    碳纤维是一种长而细的物质链,直径约为0.0002-0.0004英寸(0.005-0.010毫米),主要由碳原子组成。碳原子在微晶体中结合在一起,微晶体或多或少与纤维的长轴平行排列。晶体的排列使纤维的强度令人难以置信的大小。    碳纤维复合材料有多种形式,可以根据独特的应用需求进行操作。例如将数千根碳纤维黏合在一起形成纱线,该纱线可以单独使用或者编织成织物。纱线或者织物

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【概要描述】什么是碳纤维复合材料    碳纤维是一种长而细的物质链,直径约为0.0002-0.0004英寸(0.005-0.010毫米),主要由碳原子组成。碳原子在微晶体中结合在一起,微晶体或多或少与纤维的长轴平行排列。晶体的排列使纤维的强度令人难以置信的大小。    碳纤维复合材料有多种形式,可以根据独特的应用需求进行操作。例如将数千根碳纤维黏合在一起形成纱线,该纱线可以单独使用或者编织成织物。纱线或者织物

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      什么是碳纤维复合材料
 
      碳纤维是一种长而细的物质链,直径约为0.0002-0.0004英寸(0.005-0.010毫米),主要由碳原子组成。碳原子在微晶体中结合在一起,微晶体或多或少与纤维的长轴平行排列。晶体的排列使纤维的强度令人难以置信的大小。
 
      碳纤维复合材料有多种形式,可以根据独特的应用需求进行操作。例如将数千根碳纤维黏合在一起形成纱线,该纱线可以单独使用或者编织成织物。纱线或者织物与环氧树脂结合并缠绕塑模形成各种复合材料,例如最基础的原料分为碳纤维布、碳纤维管、碳纤维板。
 
      碳纤维增强复合材料用于制造飞机和航天器部件,赛车车身,高尔夫球杆身,自行车车架,钓鱼竿,汽车弹簧,帆船桅杆以及需要重量轻和高强度的许多其他部件。碳纤维可以应用于什么领域,创造出新的东西的唯一限制是人们对于碳纤维复合材料的想象力。
 
      碳纤维根据纤维的拉伸模量分类:英制测量单位是每平方英寸横截面积的磅力或psi。分类为“低模量”的碳纤维具有低于3480万psi(2.4亿kPa)的拉伸模量。其他分类,按拉伸模量的升序,包括“标准模量”,“中间模量”,“高模量”和“超高模量”。超高模量碳纤维的拉伸模量为72.5-145.0百万psi(5亿 - 10亿kPa)。作为比较,钢具有约2900万psi(2亿kPa)的拉伸模量。因此,最强的碳纤维比钢强10倍,铝的强度是铝的8倍,更不用说比两种材料轻得多,分别为5倍和1.5倍。此外,它们的疲劳特性优于所有已知的金属结构,并且当与合适的树脂结合时,它们是可用的最耐腐蚀材料之一。
 
     碳纤维复合材料发展历史
 
      1860年,约瑟夫·斯旺首次发明碳纤维,用于灯泡。
 
      1879年,托马斯爱迪生在高温下烘烤棉线或竹条,将它们碳化成全碳纤维长丝,用于首批白炽灯泡之一,用电加热。
 
      1880年,Lewis Latimer开发出一种可靠的碳丝灯丝,用于白炽灯泡,由电加热。
 
      1958年,Roger Bacon在位于俄亥俄州克利夫兰市外的Union Carbide Par-ma技术中心制造了高性能碳纤维。这些纤维是通过加热人造丝线直到它们碳化而制成的。后来的事实证明该方法是低效的,因为所得碳纤维仅含有约20%的碳,并且具有低强度和刚度性质。
 
      在20世纪60年代早期,日本工业科学与技术机构的Akimbo Shinto博士使用聚丙烯腈(PAN)作为原料开发了一种方法。这产生了含有约55%碳的碳纤维。
 
      1960年,HI Thompson Fiberglas Co.的Richard. Milling-ton开发了一种使用人造丝作为前体生产高碳含量(99%)纤维的方法(美国专利No.3,294,489)。这些碳纤维具有足够的强度(弹性模量和拉伸强度),可用作具有高强度重量性能和耐高温应用的复合材料的增强材料。
 
      碳纤维的高潜力在1963年由W.Watt.LN Phillips和W. Johnson在汉普郡法恩伯勒的皇家飞机公司开发的工艺实现。该工艺获得了英国国防部的专利,然后由英国国家研究开发公司授权给三家公司。几年后,在维克斯VC10的劳斯莱斯康威喷气发动机中成功首次在飞机在上面应用碳纤维板风扇组件。几年内,罗尔斯·罗伊斯利用新材料的特性打入美国市场,其RB-211航空发动机配有碳纤维压缩机叶片。不幸的是,刀片很容易受到鸟撞击造成的伤害。这个问题和其他问题导致了罗尔斯·罗伊斯公司在1971年被国有化的挫折。碳纤维生产工厂被出售以形成Bristol Composites 。
 
      在20世纪60年代后期,日本人率先生产PAN基碳纤维。1970年的联合技术协议允许Union Carbide生产日本东丽工业产品。Morganatic认为,碳纤维生产是其核心业务的外围,使Courtyards成为英国唯一的大型制造商。Courteous的水基无机工艺使该产品易受杂质的影响,不会影响其他碳纤维制造商使用的有机工艺,导致Courtyards于1991年停止生产碳纤维。
 
      在20世纪60年代,寻找替代原料的实验工作导致引入由石油加工衍生的石油沥青制成的碳纤维复合材料。这些纤维含有约85%的碳并具有优异的挠曲强度。此外,在此期间,日本政府大力支持国内的碳纤维发展,东丽,东宝人和三菱等几家日本公司开始自己的开发和生产。
 
      自20世纪70年代后期以来,更多类型的碳纤维纱线进入全球市场,提供更高的拉伸强度和更高的弹性模量。例如T400拉伸强度为4,000MPa,模量为400GPa。开发了中间碳纤维,例如IM 600具有高达6,000MPa。碳纤维复合材料在军事和后来的民用飞机中首先应用于从二级到初级部件的航空航天应用,如麦克唐纳道格拉斯,波音,空中客车和联合飞机公司的飞机。
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