碳纖維是由含碳量高、熱處理不熔融的人造纖維，經(jīng)過熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理以及石墨化等工藝制成的特種纖維。其力學(xué)性能優(yōu)異，與一般碳素材料不同的是，碳纖維具有很強(qiáng)的各向異性，在沿纖維軸的方向有著很高的強(qiáng)度。碳纖維一般不作為材料單獨(dú)使用，會與樹脂、金屬、陶瓷等基質(zhì)復(fù)合，制成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。考慮到成本控制和工藝問題，目前應(yīng)用較多的是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，能夠滿足對密度、剛度、重量、疲勞特性等要求嚴(yán)格的領(lǐng)域需求。
一、碳纖維材料的主要優(yōu)勢有哪些？
碳纖維是一種比金屬和玻璃纖維強(qiáng)度更高、更堅(jiān)硬的材料，因此可以用來制造更輕的產(chǎn)品。由于碳纖維是一種各向異性材料，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中也具有更大的靈活性，即：產(chǎn)品設(shè)計(jì)的自由度很高。除了優(yōu)異的機(jī)械性能外，碳纖維還具有優(yōu)異的耐化學(xué)性和耐腐蝕性，以及導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性和低熱膨脹。
使用時(shí)，碳纖維有哪些產(chǎn)品形式？
碳纖維可以連續(xù)纖維的形式使用，但有時(shí)也可以其他形式使用。例如，它可以短切用于短碳纖維，編織用作織物，或用樹脂浸漬等。
二、什么是碳纖維復(fù)合材料？
碳纖維很少單獨(dú)使用，通常與其他基體材料混合使用。與碳纖維結(jié)合的最常見基體材料是熱固性樹脂，而復(fù)合材料最常用的熱固性樹脂是環(huán)氧樹脂，它可以與高性能碳纖維相容。此外，其他種類的熱固性樹脂和熱塑性樹脂的使用也在增加。除了樹脂，還有使用金屬、碳、橡膠、水泥和其他材料作為基材的復(fù)合材料。
三、碳纖維復(fù)合材料如何實(shí)現(xiàn)減碳？
通過使用碳纖維復(fù)合材料來替代傳統(tǒng)材料，可以顯著減輕飛機(jī)、汽車和其他交通工具的重量。由于較低的重量而產(chǎn)生的較高燃料效率會有效降低CO2排放量，而且該CO2排放量降幅要遠(yuǎn)大于碳纖維生產(chǎn)過程中所排放的CO2量。此外，碳纖維復(fù)合材料也有助于風(fēng)電葉片的大型化，從而實(shí)現(xiàn)更高的風(fēng)力輸出。
四、碳纖維復(fù)合材料的用途有哪些？
1.航空領(lǐng)域
航天飛行器每減少1kg的重量，運(yùn)載火箭可以減少500kg，碳纖維復(fù)合材料比重小、剛性好、強(qiáng)度高，所以在航天飛行器中很受歡迎。某垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)，碳纖維復(fù)合材料的使用量占全機(jī)重量的1/4，占機(jī)翼重量的1/3。據(jù)悉，美國航天飛機(jī)上3只火箭推進(jìn)器的關(guān)鍵部件以及先進(jìn)的MX導(dǎo) 彈發(fā)射管等，都是用碳纖維復(fù)合材料制成的。
2.汽車領(lǐng)域
碳纖維復(fù)合材料用于汽車領(lǐng)域多數(shù)是代替鋼材，可減質(zhì)量40%以上，從而節(jié)省燃油降低使用成本。據(jù)知汽車結(jié)構(gòu)每減質(zhì)量10%,可節(jié)省燃油7%。F1(世界一級方程錦標(biāo)賽)賽車，車身大部分結(jié)構(gòu)都用碳纖維材料。家用汽車應(yīng)用復(fù)合材料目前也逐漸形成一種趨勢，在當(dāng)前能源緊張、燃油漲價(jià)的形勢下，尤其是隨著電動汽車的風(fēng)行，必將形成復(fù)合材料潛在的應(yīng)用大戶。
3.風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域
風(fēng)力是清潔環(huán)保可再生的能源，當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電是能源領(lǐng)域增長最快的，世界上大約以25%的年速率遞增。由于單機(jī)發(fā)電容量越來越大，槳葉葉片越來越長，質(zhì)量越來越大，強(qiáng)度和剛度的要求越來越高，于是研究人員開始將目光投向碳纖維復(fù)合材料。目前的槳葉多用混雜復(fù)合材料，以碳纖與玻纖混雜為主，既使受力合理又節(jié)省碳纖維用量，從而實(shí)現(xiàn)成本控制。
4.醫(yī)療領(lǐng)域
碳纖維復(fù)合材料有著高達(dá)98%以上的透光性，可以作為X光機(jī)、CT機(jī)、乳腺機(jī)等放射醫(yī)療器械的部件材料。隨著假肢技術(shù)的不斷發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料還可用于假腳、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、接受控等部位的制作，能夠讓使用者更舒適、更省力。
除上述的幾個領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料還應(yīng)用于電子、高速列車、工程建筑、家具、油氣田等領(lǐng)域，可以毫不夸張地說，碳纖維復(fù)合材料幾乎是“無所不能”了。當(dāng)然了，更多地應(yīng)用領(lǐng)域還需我們不斷地探索開發(fā)。
五、碳纖維在使用過程中應(yīng)該注意什么？
由于單根碳纖維非常細(xì)，因此在使用過程中很容易發(fā)生斷裂、形成斷絲。漂浮在空氣中的碳纖維斷絲會對人體健康和設(shè)備產(chǎn)生不利影響。因此，一般需要小心處理碳纖維材料，并在處理時(shí)使用局部排氣通風(fēng)。此外，在處理碳纖維時(shí)，一定要將其與一般廢物分開，并將其作為工業(yè)廢物進(jìn)行處理。
六、碳纖維對人體和設(shè)備有哪些影響？
由于碳纖維具有一定的導(dǎo)電性，漂浮在空氣中的碳纖維斷絲如果進(jìn)入設(shè)備，可能會導(dǎo)致其短路。因此，須保護(hù)電氣系統(tǒng)，防止碳纖維進(jìn)入。由于碳纖維具有剛性的，且直徑較細(xì)，如果它們粘附在皮膚和粘膜上，會引起瘙癢或疼痛。因此，要盡可能減少碳纖維工作環(huán)境中皮膚和粘膜的外露，如果碳纖維粘附在皮膚上，用水沖洗而不要搓洗。
七、碳纖維預(yù)浸料如何保存？
由于預(yù)浸料通常是由熱固性樹脂制成的，所以在一定溫度下會發(fā)生固化。因此，除非在交付后立即使用，否則應(yīng)將其儲存在-18ºC或更低的溫度下。如果將其冷凍儲存在冰箱中，建議使用包裝膜進(jìn)行密封處理并水平放置。
八、、碳纖維有什么缺點(diǎn)？
碳纖維是一種輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、體育器材等領(lǐng)域。然而，碳纖維也有致命弱點(diǎn)。 首先，碳纖維容易受到?jīng)_擊和壓縮而產(chǎn)生微裂紋，這種微裂紋會逐漸擴(kuò)大并最終導(dǎo)致材料失效。這是由于碳纖維的強(qiáng)度和剛度是各向同性的，而不是各向異性的。因此，在設(shè)計(jì)碳纖維材料時(shí)，需要考慮到受力方向的影響，以避免微裂紋的產(chǎn)生。 其次，碳纖維難以修復(fù)。一旦碳纖維材料出現(xiàn)損壞，很難進(jìn)行修復(fù)。這是因?yàn)樘祭w維的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，由數(shù)以千計(jì)的纖維束組成，這些纖維束又由數(shù)以百萬計(jì)的碳纖維單根組成。因此，即使是微小的損壞，也會導(dǎo)致整個材料的失效。此外，由于碳纖維的表面光滑，難以進(jìn)行粘接和修補(bǔ)。 綜上所述，碳纖維雖然具有輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著微裂紋易產(chǎn)生和難以修復(fù)的弱點(diǎn)。在使用碳纖維材料時(shí)，需要注意材料的受力方向和避免損壞的發(fā)生。
碳纖維的脆弱易碎是由其結(jié)構(gòu)特性所決定的。碳纖維的分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出纖維狀，這種結(jié)構(gòu)決定了碳纖維的強(qiáng)度和剛度都非常高，但同時(shí)也導(dǎo)致其脆性較大。一旦碳纖維遭受到一定程度的沖擊或彎曲，就很容易發(fā)生裂紋和斷裂。 碳纖維易磨損也是其另一個致命弱點(diǎn)。雖然碳纖維的強(qiáng)度和剛度都非常高，但是由于其表面光滑，容易產(chǎn)生微小的摩擦，導(dǎo)致磨損加劇。特別是在高速運(yùn)動的情況下，碳纖維的磨損會更加嚴(yán)重，這也是碳纖維在運(yùn)動器材領(lǐng)域中使用壽命較短的原因之一。
碳纖維的強(qiáng)度會受到環(huán)境因素的影響。在高溫、高濕、紫外線等環(huán)境下，碳纖維的強(qiáng)度會受到削弱，從而影響其使用壽命和安全性能。這也是為什么在航空和汽車領(lǐng)域，碳纖維的使用需要經(jīng)過嚴(yán)格的檢測和評估。 碳纖維的價(jià)格昂貴。相比于傳統(tǒng)的金屬材料，碳纖維的生產(chǎn)成本更高，因此其價(jià)格也更貴。這也是為什么在一些領(lǐng)域，如普通民用汽車和建筑領(lǐng)域，碳纖維的應(yīng)用還不夠普及的原因之一。
由于碳纖維的生產(chǎn)過程中需要耗費(fèi)大量的能源和原材料，同時(shí)碳纖維的回收利用也存在技術(shù)難題，因此碳纖維的生產(chǎn)和使用對環(huán)境造成了很大的影響。為了減少碳纖維對環(huán)境的影響，需要加強(qiáng)碳纖維回收利用技術(shù)的研究，提高碳纖維的再利用率，從而降低碳纖維的生產(chǎn)成本和環(huán)境污染。
