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碳纖維的物理性質

發表時間:2018-10-23 16:56

   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。


   碳纖維除了具有一般碳素材料的特性外,其外形有顯著的各向異性柔軟,可加工成各種織物,又由于比重小, 沿纖維軸方向表現出很高的強度,碳纖維增強環氧樹脂復合材料,其比強度、比模量綜合指標,在現有結構材料中是最高的。[2]?碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500兆帕以上,是鋼的7到9倍,抗拉彈性模量為230到430G帕亦高于鋼;因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000兆帕以上,而A3鋼的比強度僅為59兆帕左右,其比模量也比鋼高。與傳統的玻璃纖維相比,楊氏模量(指表征在彈性限度內物質材料抗拉或抗壓的物理量)是玻璃纖維的3倍多;與凱芙拉纖維相比,不僅楊氏模量是其的2倍左右。碳纖維環氧樹脂層壓板的試驗表明,隨著孔隙率的增加,強度和模量均下降。孔隙率對層間剪切強度、彎曲強度、彎曲模量的影響非常大;拉伸強度隨著孔隙率的增加下降的相對慢一些;拉伸模量受孔隙率影響較小。


   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。


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