Высокопрочное легкое углеродное волокно: от основных характеристик до межотраслевых применений?
2025-10-31
Углеродное волокно — это высокопрочное и высокомодульное волокно с содержанием углерода более 90%, которое может производиться из таких исходных материалов, как полиакрилонитрил, вискозное волокно, асфальтовое волокно и других, путем высокотемпературного окисления и карбонизации. Его можно смешивать с матрицами из металла, керамики, смолы и других материалов для создания композитных материалов на основе углеродного волокна, которые имеют широкое применение. Удельный вес углеродного волокна обычно составляет 1,70 г/см³～1,80 г/см³, прочность — 1200 МПа～7000 МПа, модуль упругости — 200 ГПа～400 ГПа, коэффициент теплового расширения близок к нулю и может даже быть отрицательным (～1,5×10⁻⁶).
Какие преимущества у углеродных волокнистых материалов?
1.Углеродные волокнистые материалы имеют малый удельный вес, высокую удельную прочность и удельный модуль упругости;
2.Устойчивость к сверхвысоким температурам в неокислительной среде, хорошая усталостная прочность, удельная теплоемкость и электропроводность находятся между неметаллами и металлами;
3.Отсутствие ползучести при изменениях температуры или длительной эксплуатации, малый коэффициент растяжения (1,6%), малый коэффициент теплового расширения с анизотропными свойствами;
4.Хорошая проницаемость для рентгеновских лучей, отличные электропроводность и теплопроводность, хорошие электромагнитные экранирующие свойства.
5.Высокая проектируемость, возможность изменения механических свойств углеродных волокнистых изделий путем изменения угла укладки или количества слоев;
6.По сравнению со стекловолокном, модуль Юнга углеродного волокна более чем в 3 раза выше; по сравнению с кевларовым волокном, модуль Юнга примерно в 2 раза выше;
7.Хорошая коррозионная стойкость, не растворяется и не разбухает в органических растворителях, кислотах и щелочах, обладает выдающейся устойчивостью к коррозии.
Какие недостатки у углеродных волокнистых материалов?
1.Изделия из углеродного волокна относятся к кастомным продуктам, имеют высокую направленность, и поскольку исходные материалы и производственные затраты углеродного волокна особенно высоки, то добиться массового производства углеродных волокнистых продуктов довольно сложно, они не имеют преимущества в цене;
2.Хотя углеродное волокно обладает высокой прочностью на растяжение, его прочность на сдвиг слаба, поэтому при обработке требуются сложные расчеты напряжений;
3.Углеродное волокно — это хрупкий материал, который при чрезмерной нагрузке не деформируется, а сразу ломается, поэтому изделия из углеродного волокна после повреждения невозможно отремонтировать, их можно только заменить;
4.В настоящее время наиболее широко применяются термореактивные композитные материалы на основе углеродного волокна, которые трудно перерабатывать вторично и имеют низкую степень повторного использования.
В каких областях применяется углеродное волокно?
1.В традиционном применении, помимо использования в качестве теплоизоляционного материала, углеродное волокно часто добавляется как армирующий материал в смолы, металлы, керамику, бетон и другие материалы, образуя композиты. Углеродное волокно стало наиболее важным армирующим материалом для передовых композитов.
2.Область гражданского строительства: углеродное волокно также применяется для усиления и ремонта промышленных и гражданских зданий, железнодорожных и автомобильных мостов, туннелей, дымовых труб, башенных конструкций и т.д. В железнодорожном строительстве крупные кровельные системы и звукоизоляционные стены в будущем найдут широкое применение, что также станет перспективным направлением использования углеродного волокна.
3.Углеродное волокно является незаменимым стратегическим базовым материалом для высокотехнологичного вооружения, такого как ракеты, спутники, ракеты, истребители и военные корабли. Применение композитов на основе углеродного волокна в корпусах стратегических ракет и корпусах двигателей позволяет значительно снизить вес и увеличить дальность полета и ударную мощь ракет. Например, в разработанных в США в 80-х годах межконтинентальных ракетах все три ступени корпуса были изготовлены из композитного материала на основе углеродного волокна и эпоксидной смолы.
4.В автомобильном интерьере и экстерьере начинает широко применяться. Как автомобильный материал, углеродное волокно имеет главное преимущество - малый вес и высокую прочность: его вес составляет всего 20-30% от стали, а твердость более чем в 10 раз превышает сталь.
5.В сфере спорта и отдыха углеродное волокно используется в таких товарах, как клюшки, удочки, теннисные и бадминтонные ракетки, велосипеды, лыжные палки, сноуборды, мачты для виндсерфинга, корпуса яхт и других спортивных товарах. Углеродное волокно также можно встретить в повседневных товарах, таких как аудиоаппаратура, потолочные инфракрасные обогреватели и другие бытовые приборы, а также в мобильных телефонах, ноутбуках и других электронных продуктах.
