科學技術隨著時代的發展也是越來越先進了，其實人類社會的發展一直是這樣，從沒有工具、沒有材料發展為會制造和使用簡單的石制工具，后來又演變成了青銅器，再到后來的鐵器農耕時代，再到合金再到高科技合成材料，人類正在努力的改善這我們自己的生活，今天小編要為大家講述的就是這種叫做碳纖維的合成材料。

組成結構

碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A，各平行層面間的各個碳原子，排列不如石墨那樣規整，層與層之間借范德華力連接在一起。

通常也把碳纖維的結構看成由兩維有序的結晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。

當孔隙率低于某個臨界值時，孔隙率對碳纖維復合材料的層間剪切強度、彎曲強度和拉伸強度無明顯的影響。有些研究指出，引起材料力學性能下降的臨界孔隙率是1%-4%。孔隙體積含量在0-4%范圍內時，孔隙體積含量每增加1%，層間剪切強度大約降低7%。通過對碳纖維環氧樹脂和碳纖維雙馬來亞胺樹脂層壓板的研究看出，當孔隙率超過0.9%時，層間剪切強度開始下降。由試驗得知，孔隙主要分布在纖維束之間和層間界面處。并且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，并顯著降低了層合板中層間界面的面積。當材料受力時，易沿層間破壞，這也是層間剪切強度對孔隙相對敏感的原因。另外孔隙處是應力集中區，承載能力弱，當受力時，孔隙擴大形成長裂紋，從而遭到破壞。

即使兩種具有相同孔隙率的層壓板(在同一養護周期運用不同的預浸方法和制造方式)，它們也表現處完全不同的力學行為。力學性能隨孔隙率的增加而下降的具體數值不同，表現為孔隙率對力學性能的影響離散性大且重復性差。由于包含大量可變因素，孔隙對復合材料層壓板力學性能的影響是個很復雜的問題。這些因素包含：孔隙的形狀、尺寸、位置;纖維、基體和界面的力學性能;靜態或者動態的荷載。相對于孔隙率和孔隙長寬比，孔隙尺寸、分布對力學性能的影響更大些。并發現大的孔隙(面積>0.03mm2)對力學性能有不利影響，這歸因于孔隙對層間富膠區的裂紋擴展的產生影響。

材料特性

物理

碳纖維兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，是一種的力學性能優異的新材料。碳纖維拉伸強度約為2到7GPa，拉伸模量約為200到700GPa。密度約為1.5到2.0克每立方厘米，這除與原絲結構有關外，主要決定于炭化處理的溫度。一般經過高溫3000℃石墨化處理，密度可達2.0克每立方厘。再加上它的重量很輕，它的比重比鋁還要輕，不到鋼的1/4，比強度是鐵的20倍。碳纖維的熱膨脹系數與其它纖維不同，它有各向異性的特點。碳纖維的比熱容一般為7.12。

熱導率隨溫度升高而下降平行于纖維方向是負值(0.72到0.90)，而垂直于纖維方向是正值(32到22)。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關，在25℃時，高模量為775，高強度碳纖維為每厘米1500。這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強度和比模量。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有強度大、模量高、密度低、線膨脹系數小等特點，可以稱為新材料之王。

碳纖維還具有極好的纖度(纖度的表示法之一是9000米長纖維的克數)，一般僅約為19克，拉力高達300kg每微米。幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多一系列的優異性能， 因此在旨度、剛度、重度、疲勞特性等有嚴格要求的領域。在不接觸空氣和氧化劑時，碳纖維能夠耐受3000度以上的高溫，具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高于1500℃時強度才開始下降，而且溫度越高，纖維強度越大。碳纖維的徑向強度不如軸向強度，因而碳纖維忌徑向強力(即不能打結)而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。

化學性質

碳纖維的化學性質與碳相識，它除能被強氧化劑氧化外，對一般堿性是惰性的。在空氣中溫度高于400℃時則出現明顯的氧化，生成CO與CO2。 碳纖維對一般的有機溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，不溶不脹，耐蝕性出類拔萃，完全不存在生銹的問題。 有學者在1981年將PAN基碳纖維浸泡在強堿氫氧化鈉溶液中，時間已過去30多年，它仍保持纖維形態。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發生氧化，碳纖維的電動勢為正值，而鋁合金的電動勢為負值。當碳纖維復合材料與與鋁合金組合應用時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。因此，碳纖維在使用前須進行表面處理。碳纖維還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。

分類

PAN基碳纖維

PAN基碳纖維的生產工藝主要包括原絲生產和原絲碳化兩個過程:首先通過丙烯腈聚合和紡紗等一系列工藝加工成被稱為“母體“的聚丙烯腈纖維或原絲， 將這些原絲放入氧化爐中在200到300℃進行氧化，還要在碳化爐中，在溫度為1000到2000℃下進行碳化等工序制成碳纖維。

瀝青基碳纖維

美國發明了紡織瀝青基碳纖維用的含有基金屬中間相瀝青，原絲經穩定化和碳化后，碳纖維的拉伸強度為3.5G帕，模量為252G帕;法國研制了耐熱和高導電的中間相瀝青基碳纖維;波蘭開發了新型金屬涂覆碳纖維的方法，例如涂覆銅的瀝青基碳纖維是用混合法制成，先用銅鹽與各向同性煤瀝青混勻，進行離心紡絲，在空氣中穩定化并在高溫氫氣中處理，得到合金銅的碳纖維。世界瀝青基碳纖維的生產能力較小，國內瀝青基碳纖維的研究和開發較早，但在開發、生產及應用方面與國外相比有較大的差距。

碳纖維按產品規格的不同被劃分為宇航級和工業級兩類，亦稱為小絲束和大絲束。通常把48K以上碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括360K和480K等。宇航級碳纖維初期以3K為主，逐漸發展為12K和24K，主要應用于國防軍工和高技術，以及體育休閑用品，像飛機、導彈、火箭、衛星和釣魚桿、球桿球拍等。工業級碳纖維應用于不同民用工業，包括：紡織、醫藥衛生、機電、土木建筑、交通運輸和能源等。

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碳纖維復合材料的特點：

碳纖維增強復合材料，不同于其他使用傳統纖維，如玻璃纖維或芳香族聚酰胺纖維等的FRP復合材料，CFRP復合材料的優良性能包括：重量輕——傳統玻璃纖維增強復合材料采用連續的玻璃纖維，其含量為70%(重量玻璃/總重量)，每立方英寸的密度通常為0.065磅。

強度高——CFRP復合材料盡管重量輕，然而相比于玻璃纖維復合材料，每單位重量的CFRP復合材料卻具有更高的強度和更大的硬度。而與金屬材料相比時，這一優勢則更加突出。例如，經驗告訴我們，CFRP材料相比于鋼材，在等強度條件下，其重量只有鋼的1/5。可以想像為什么所有汽車制造企業都在研究使用碳纖維來代替鋼材，從而提高其產品性能。

當CFRP復合材料與鋁，質量最輕的金屬之一，相比較時，根據基本假設，等強度的鋁材，其重量約為碳纖維體的1.5倍。當然實驗中也存在許多其他變量，可能會影響對比結果，比如，材料的檔次和質量不同，復合過程，生產過程，纖維結構及品質也需要被考慮在內。

碳纖維復合材料的缺點：

成本高

盡管CFRP復合材料性能優異，為什么碳纖維沒有廣泛地應用于產品生產呢?目前，CFRP復合材料生產成本過高。根據當前的市場情況(供給和需求)，碳纖維的種類(航天VS商品級)，纖維束的大小不同，纖維的價格也判若云泥。每磅碳纖維原材料的價格，可達5-25倍玻璃纖維價格不等。而相比于鋼材，CFRP材料的高成本性就更加突出了。

導電性

這既可以作為碳纖維復合材料的優勢，也可能成為實際應用中的一個缺陷。碳纖維導電性極強，而玻璃纖維是絕緣的。許多產品使用玻璃纖維，而不能用碳纖維或金屬替代，是因為其要求具備嚴格的絕緣性。

在公用設施生產中，許多產品都需要使用玻璃纖維。例如，梯子的生產使用玻璃纖維作為梯架，原因在于：當玻璃纖維梯子與電力線接觸時，觸電的可能性會降低許多。而碳纖維梯子導電性極強，后果則不可想象。

盡管碳纖維復合材料的成本居高不下，然而伴隨著科技進步，更多高效益產品的涌現指日可待。或許有生之年，我們將有望見證高性能碳纖維產品在消費市場，工業生產和汽車制造中的大范圍應用。

以上就是小編今天要為大家講述的這種叫做碳纖維的新式合成材料。本來碳合成物就在我們的生活中使用的比較廣泛，現在又出來了碳纖維更是將碳化材料地使用提升到的一個新的層次，可以說碳纖維是迄今人類發明出來的用途最多、性質穩定的一種非金屬材料。總之一句話，科學技術為我們帶來了無限的美好，但是我們一定要懂得合理使用。