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碳纤维

碳纤维

有时在出版物中被称为“碳纤维”(carbon fiber),碳纤维材料采用石墨或其他碳源来增强复合材料。纳米工程师已经协助开发了一系列利用碳纤维与聚合物、陶瓷和金属作为成分的创新产品。这些纤维有时会织成织物。

生产碳纤维

今天,许多专用碳纤维材料的制造在很大程度上仍然是私有的。近年来,随着科学家们学会了在微观水平上设计材料,纳米技术领域经历了爆炸性的增长。碳纤维技术广泛依赖于纳米技术。自2005年以来,这一领域已经发展成为一个价值数十亿美元的产业。

一些金属部件制造商将碳纤维产品组合在部件中,以增加额外的强度和耐腐蚀性。由碳纤维织成的织物提供了刚度和强度。碳纤维可以与陶瓷、塑料或其他材料紧密结合,创造出一系列经久耐用、重量相对较轻的物品。

各种化学和物理过程有助于生产不同的碳纤维产品在今天的商业市场上。据报道,在大多数情况下,制造碳纤维至少需要五个步骤:纺丝、稳定、碳化、表面处理和施胶。然而,所涉及的具体过程可能有很大的不同,这使得广泛的概括是不可能的。

旋转

据报道,在一些现代碳纤维产品中,合成树脂聚丙烯腈和煤焦油或石油中提取的胶状沥青经常作为前体。制造商使用各种化学和机械工艺将碳原子(主要)排列在长丝中,缠绕成直径在5到10微米之间的强纤维。他们能拉伸这种材料。

稳定

灯丝中的碳原子在分子水平上结合在一起。碳纤维制造商改进他们的产品,以消除杂质,据报道,在大多数情况下,借助温度控制环境。热可以促进所需要的化学反应。在这一步骤中还可能发生进一步的机械操作。

碳化

碳化是在极高的温度和特定气体的帮助下发生的。由于专利工艺有时不同,根据制造商的需要,在碳化过程中可能会发生变化。

进行表面处理

根据用于生产商业产品中的碳纤维成分的专有系统,在不同的生产设施之间,单独的前体和特定的机械工艺可能会有所不同。这一领域正在进行的研究将继续生产出最终用于商业用途的新型强碳纤维。在大多数情况下,制造商可能会在成品碳纤维材料上涂上保护性的表面涂层。

分级

制造碳纤维的最后一步是在碳纤维上涂上所需的涂层后,将碳纤维切割成所需尺寸用于特定产品。制造商将碳纤维组织成更可用的形式用于织物或其他产品的生产。例如,一些公司在进行织物制造之前,将碳纤维装入大型工业筒管。

碳纤维的分类

一些来源对碳纤维进行分类时,使用的是与对压力下的液体或气体进行分类时使用的每平方英寸压力磅数相同的测量系统。在碳纤维的情况下,碳纤维的拉伸模量作为在拉伸过程中承受断裂的能力,允许从“低”到“超高”的拉伸模量分类。这些参数表明,制造商并没有生产出所有碳纤维的同等强度。

碳纤维的应用

今天,碳纤维已经在许多行业中得到了广泛的应用。这种坚固、相对轻质的复合材料最初受到了军事和航空航天制造商的关注。可以想象,碳纤维可以用于航天器、飞机、卫星、武器系统和装甲。显然,它的许多应用可能仍然超出了公共知识的范围。

近年来,许多其他行业也开始使用碳纤维产品。它们包括能源工业、交通运输业和消费品工业。例如,一些风车产品在大型风力涡轮机上采用碳纤维增强叶片,以帮助从风力发电。几家汽车制造商也开始使用碳纤维材料来帮助生产坚固而轻量化的车身。碳纤维甚至已经渗透到商业消费品领域;今天,一些制造商宣传他们的炊具中的碳纤维组件。华体会网页版狼堡赞助商Bunty LLC帮助客户在各种金属零件和消费品中使用碳纤维成分。

使用碳纤维的优点

碳纤维产品为制造商提供了一套重要的优势。

  1. 用这种材料制成的产品在某些情况下会表现出优异的抗拉强度。例如,当用于防弹衣时,它们可以保护人体免受穿透弹丸的伤害。
  2. 碳纤维利用了一种廉价、易得的元素。制造商可以从各种各样的来源找到碳。虽然生产碳纤维所需的生产过程显然仍然需要大量的资本投资,但这种材料的成本最终可能会下降。
  3. 碳纤维提供了一些重量优势。这一因素可减少与运输它们有关的费用。作为组装产品的组成部分,碳纤维在不增加体积和重量的情况下增加额外的强度。
  4. 经过处理的碳纤维具有优良的耐腐蚀性能。然而,在一些恶劣的环境中,处理过的碳纤维可能代表了某些部分的优秀选择。
  5. 据报道,编织碳纤维在高温下不会失去尺寸完整性。例如,陶瓷碳纤维复合材料导热而不变形。适用的热膨胀系数为制造商提供了好处。

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