新型增強材料――碳纖維的性能

  為了利用碳纖維,就是先懂得碳纖維的特性,以便在生產實際中更好地應用這種新材料。碳纖維的主要特性:
(1)碳纖維的強度高,其抗拉強度可達3000-4000MPa,比鋼大4倍多;比鋁高6-7倍。
(2)彈性模量高,有的碳纖維彈性模量高達3.5*105MPa。
(3)密度小,比強度高。碳纖維的質量是鋼的1/4,是鋁合金的1/2,比強度比鋼大16倍,比鋁合金大12倍。
(4)能耐超高溫。碳纖維可在2000℃使用,在3000℃非氧化氣氛的高溫下不融化,不軟化。
(5)耐低溫性能好。在-180℃低溫下,鋼鐵變得比玻璃脆,而碳纖維依舊很柔軟。
(6)耐酸性能好。能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介質侵蝕。將碳纖維放在濃度為50%的鹽酸、硫酸和磷酸中, 200天后其彈性模量、強度和直徑基本沒有變化;在50%濃度的硝酸中只是稍有膨脹,其耐腐蝕性能超過黃金和鉑金。
(7)熱膨脹系數小,導熱系數大??梢阅图崩浼睙幔词箯?000℃的高溫突然降到室溫也不會炸裂。
(8 )防原子輻射,能使中子減速。
(9)導電性好,電阻率為10-2~101-4Ω?cm
碳纖維按其彈性模量不同,可分為三類,其物理性能見下表。

  碳纖維是一種新型的高性能纖維增強材料,它具有高強度、高模量、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、導電、導熱和遠紅外輻射等諸多優異性能。它可以依復合材料形式減輕構件重量,從而提高構件的技術性能?,F已廣泛應用于航天航空、新型紡織機械、石油化工、醫藥器械、汽車、機械制造、建筑行業、文體用品、電信、電加熱等高新技術領域。它的廣泛應用將會極大的改變我們的生活方式和提高我們的生活質量。
  用碳纖維復合的工程材料優于金屬材料,其抗拉強度高于鋼材于3~4倍;剛度高于2~3倍;耐疲勞性高于2倍;重量比鋼材輕3~4倍;熱膨脹小4~5倍。它的出現使纖維復合材料具有更廣闊的發展和應用前景。
  隨著各種纖維材料增強技術逐漸變的與結構設計同樣重要,碳纖維材料的發展過程先后引起了諸多發達和發展中的關注, 才有了碳纖維材料今天大力發展的形勢。在碳纖維材料的研究和開發過程中,科技工作者已經認識到,碳纖維材料是進入二十一世紀的具誘惑的纖維增強材料。
   碳纖維電熱體與金屬絲電熱體的比較
   碳纖維電熱體是一種全黑體材料,電熱轉換效率高。在電熱過程中抗拉強度沒有極大改變。前期處理方法合理,高溫狀態下使用,不氧化,其單位面積的電流的負荷不發生改變。金屬電熱體黑度系數較小,電熱轉換過程存在著可見光,因此表現出電熱轉換效率低。高溫狀態下金屬絲表面易氧化,由于氧化層不斷的增厚電阻
不斷的增大,造成了金屬絲有效單位面積的電流的負荷增大,因此易燒斷。在相同的電流負荷面積下,金屬絲的強度比碳纖維低6~10倍,在使用過程中易折斷。通過碳纖維電熱體與金屬絲電熱體電熱特性 和機械性能的比較,不難看出碳纖維電熱體,是目前能夠徹底解決由于金屬電熱體的不可靠而引起的質量缺陷。
  碳纖維電熱體與PTC電熱體的比較
  PTC電熱體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電子缺位進行電熱轉換的。由于陶瓷材料的純度低的問題,塑料材料的聚合問題和二者材料不均勻問題,造成PTC電熱體在電熱轉換的使用過程中很容易出現彌散性的局部擊穿,使擊穿部位的電阻不斷增大,從而使PTC電熱體顯現出整體電阻的增大,加熱功率出現衰減。碳纖維電熱體是穩定的大分子量的長鏈碳結構組成。在電熱轉換過程中不存在著彌散性的局部擊穿問題,在使用過程當中也就不存在電熱功率衰減。因此用碳纖維電熱體做成的電熱元件可以廣泛使用在對電熱功率要求穩定的環境中。
   碳纖維電熱體與碳化硅電熱體的比較 
  碳化硅電熱體由無機材料制成,雖然它有著著多的其它電熱體所不能比擬的優點。但是碳化硅電熱體價格高,使用過程中不耐碰撞、易碎裂。因此對使用環境有著較嚴格的限定,廣泛的使用受到了一定的限制。碳纖維電熱體制作成的電熱元件比碳化硅電熱體價格低,對使用環境沒有嚴格的限定。因此它的性能比和價格比均優于碳化硅電熱體。
 
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 綜述
  碳纖維電熱技術開發具有以下幾個方面的誘惑力。
  (1)具有電熱體更新換代和升級的特征,可以滲透到各個應用領域。
  (2)碳纖維電熱體在高溫狀態下使用不氧化,抗拉強度高,因此其產品使用壽命長。
  (3)碳纖維電熱體電熱轉效率高達98%,體現出了技術與經濟的效益。
  由于這些優點決定了碳纖維電熱技術應用和開發有著廣闊的前景和廣泛的應用領域,碳纖維電熱體已顯現出它獨特的魅力、誘惑力和不可取代性。