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漫话碳纤维
发布日期:2019-08-05  来源:中科院宁波材料所特种纤维事业部  浏览次数:372
 
  碳纤维为束丝状纤维,一束碳纤维往往由成千上万根单丝组成,碳纤维单丝直径与人毛发直径对比如图1所示,一般人毛发直径为50-100 μm,而碳纤维直径为5-10 μm,仅仅为毛发直径的1/10。
 
  ▲图1 碳纤维单丝直径与毛发直径对比
 
  虽然碳纤维直径小,但是碳纤维力学性能优异,其比强度和比模量是金属钢的数倍,甚至也远远高于钛合金和铝合金(图2),因此,碳纤维可以在保证结构件具有高性能同时,又可以大幅降低结构件的重量。
 
 

▲图2 碳纤维比强度、比模量与金属材料对比
 
  国外公司使用碳纤维材料加工制造了轻量化汽车,其主体框架结构由两名成人轻而易举便抬起来(图3),碳纤维轻量化效果凸显。
 

▲图3 碳纤维轻量化汽车框架结构
 
  目前碳纤维已经在轻量化汽车领域获得广泛应用,如图4所示,汽车车顶、前后扰流板、行李箱盖框架、发动机盖等均由碳纤维增强热塑性复合材料制造,质量轻、刚度大、外观美观;汽车车门等采用碳纤维增强热固性复合材料制造质量轻、冲击能量吸收率高。
 
 


▲图4 碳纤维在汽车轻量化领域应用广阔
 
  德国奥迪公司使用纯碳纤维打造的自行车重量仅仅为5kg,一名儿童也可以将其举起来(图3),毫不避讳的讲,碳纤维轻量化应用已经逐渐扩展到我们生活中的方方面面。
 


▲图5 碳纤维自行车
 
  然而,碳纤维之所以成为全球热点材料,还是因为其在航空航天等高端领域的应用。如欧洲空客公司A350碳纤维复合材料的用量达到53%,而美国第四代战机F-22战机、F-35战机碳纤维复合材料比重分别为24%、36%。



▲图6 碳纤维在民用和军用飞机领域的应用
 
  此外碳纤维应广泛用于战略导弹,上世纪60年代美国开发“北极星”导弹壳体采用玻璃纤维复合材料后,射程从2200千米增至4600千米。而上世纪80年代研发的三叉戟II潜射导弹改用碳纤维复合材料后(图7),射程进一步提升至1.2万千米,命中精度达90米,成为美军战略威慑力量的中坚。
 
 


▲图7 美国三叉戟潜射导弹
 
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