新型增强材料――碳纤维的性能

  为了利用碳纤维,就是先懂得碳纤维的特性,以便在生产实际中更好地应用这种新材料。碳纤维的主要特性:
(1)碳纤维的强度高,其抗拉强度可达3000-4000MPa,比钢大4倍多;比铝高6-7倍。
(2)弹性模量高,有的碳纤维弹性模量高达3.5*105MPa。
(3)密度小,比强度高。碳纤维的质量是钢的1/4,是铝合金的1/2,比强度比钢大16倍,比铝合金大12倍。
(4)能耐超高温。碳纤维可在2000℃使用,在3000℃非氧化气氛的高温下不融化,不软化。
(5)耐低温性能好。在-180℃低温下,钢铁变得比玻璃脆,而碳纤维依旧很柔软。
(6)耐酸性能好。能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为50%的盐酸、硫酸和磷酸中, 200天后其弹性模量、强度和直径基本没有变化;在50%浓度的硝酸中只是稍有膨胀,其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。
(7)热膨胀系数小,导热系数大。可以耐急冷急热,即使从3000℃的高温突然降到室温也不会炸裂。
(8 )防原子辐射,能使中子减速。
(9)导电性好,电阻率为10-2~101-4Ω・cm
碳纤维按其弹性模量不同,可分为三类,其物理性能见下表。

  碳纤维是一种新型的高性能纤维增强材料,它具有高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电、导热和远红外辐射等诸多优异性能。它可以依复合材料形式减轻构件重量,从而提高构件的技术性能。现已广泛应用于航天航空、新型纺织机械、石油化工、医药器械、汽车、机械制造、建筑行业、文体用品、电信、电加热等高新技术领域。它的广泛应用将会极大的改变我们的生活方式和提高我们的生活质量。
  用碳纤维复合的工程材料优于金属材料,其抗拉强度高于钢材于3~4倍;刚度高于2~3倍;耐疲劳性高于2倍;重量比钢材轻3~4倍;热膨胀小4~5倍。它的出现使纤维复合材料具有更广阔的发展和应用前景。
  随着各种纤维材料增强技术逐渐变的与结构设计同样重要,碳纤维材料的发展过程先后引起了诸多发达和发展中的关注, 才有了碳纤维材料今天大力发展的形势。在碳纤维材料的研究和开发过程中,科技工作者已经认识到,碳纤维材料是进入二十一世纪的具诱惑的纤维增强材料。
   碳纤维电热体与金属丝电热体的比较
   碳纤维电热体是一种全黑体材料,电热转换效率高。在电热过程中抗拉强度没有极大改变。前期处理方法合理,高温状态下使用,不氧化,其单位面积的电流的负荷不发生改变。金属电热体黑度系数较小,电热转换过程存在着可见光,因此表现出电热转换效率低。高温状态下金属丝表面易氧化,由于氧化层不断的增厚电阻
不断的增大,造成了金属丝有效单位面积的电流的负荷增大,因此易烧断。在相同的电流负荷面积下,金属丝的强度比碳纤维低6~10倍,在使用过程中易折断。通过碳纤维电热体与金属丝电热体电热特性 和机械性能的比较,不难看出碳纤维电热体,是目前能够彻底解决由于金属电热体的不可靠而引起的质量缺陷。
  碳纤维电热体与PTC电热体的比较
  PTC电热体大都有陶瓷材料或塑料材料制成,利用陶瓷材料或塑料材料电子缺位进行电热转换的。由于陶瓷材料的纯度低的问题,塑料材料的聚合问题和二者材料不均匀问题,造成PTC电热体在电热转换的使用过程中很容易出现弥散性的局部击穿,使击穿部位的电阻不断增大,从而使PTC电热体显现出整体电阻的增大,加热功率出现衰减。碳纤维电热体是稳定的大分子量的长链碳结构组成。在电热转换过程中不存在着弥散性的局部击穿问题,在使用过程当中也就不存在电热功率衰减。因此用碳纤维电热体做成的电热元件可以广泛使用在对电热功率要求稳定的环境中。
   碳纤维电热体与碳化硅电热体的比较 
  碳化硅电热体由无机材料制成,虽然它有着著多的其它电热体所不能比拟的优点。但是碳化硅电热体价格高,使用过程中不耐碰撞、易碎裂。因此对使用环境有着较严格的限定,广泛的使用受到了一定的限制。碳纤维电热体制作成的电热元件比碳化硅电热体价格低,对使用环境没有严格的限定。因此它的性能比和价格比均优于碳化硅电热体。
 
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 综述
  碳纤维电热技术开发具有以下几个方面的诱惑力。
  (1)具有电热体更新换代和升级的特征,可以渗透到各个应用领域。
  (2)碳纤维电热体在高温状态下使用不氧化,抗拉强度高,因此其产品使用寿命长。
  (3)碳纤维电热体电热转效率高达98%,体现出了技术与经济的效益。
  由于这些优点决定了碳纤维电热技术应用和开发有着广阔的前景和广泛的应用领域,碳纤维电热体已显现出它独特的魅力、诱惑力和不可取代性。