碳纖維
碳纤维（英語：Carbon fiber），簡稱碳纖，是一种高强度和模量的耐高温纤维，屬於化纤的高端品种，其主要由碳原子構成，直徑約5至10微米[1]。为了产生碳纤维，碳原子在晶体中被键合在一起，平行排列的纤维长轴给予碳纤维相當高的強度-體積比。几千條碳纤维集束在一起形成一个纤维束，可以单独使用或被编织成织物。
碳纤维具有高硬度、高强度、重量輕、高耐化学性、耐高温及热膨胀低的優點，在航天工程、汽車工業、建築及竞技体育製品方面得到廣泛應用。相对于玻璃纤维，碳纤维的價格相對昂貴，而碳纖維的價格差異則取決於其強度及加工方式[2]。
碳纖維通常與其他材料結合以形成复合材料。當混合塑料樹脂並纏繞或模塑後具有非常高的強度 - 重量比的碳纖維強化聚合物（通常也被稱為碳纖維）。然而，碳纖維也會與其它如石墨的材料複合，以形成耐高温的碳 - 碳複合材料。
結構與特性
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每一根碳纖維由數千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米，幾乎全部由碳構成。 最早的一代（如T300，HTA和AS4）有16-22微米直徑。[3] 新研發的碳纖維（如IM6或IM600）的直徑大約有5微米。[3]
在原子層面，碳纖維跟石墨很相近，是由一層層以六边形模式（石墨烯薄片）排列的碳原子所構成。兩者差別在於層與層之間的連結的方式。石墨是晶體結構，它的層間連結鬆散，而碳纖維不是晶體結構，層間連結是不規則的。這樣便防止滑移，增強物質強度。
一般碳纖維的密度為1750 kg/m3。導熱能力高但傳電能力低，碳纖維的比熱容亦比銅低。當加熱的時候，碳纖維會變厚而短。雖然碳纖維的天然顏色是黑色，但可以把它染上不同的顏色。
應用
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2012年，碳纖維複合材料的全球需求價值大約為103亿至140亿美元。預計2012年到2018年，年增長率约为10%至12%[4]。強勁的需求來自於航空工業、風力發電、自行車及汽車行業[5][6]。不過由於大量越來越多企業投入碳纖維的生產，部分較低階的產品已出現過剩[7]。
複合材料
[编辑]用碳纤维制造的增强塑料质地强而轻，耐高温、防辐射、耐水、耐腐蚀，是制造飞行器、兵器及耐腐蚀设备等的优良材料。碳纖維製品的缺點是難以自然分解，大量棄置會造成環境問題。近年來碳纖維更是廣泛被使用於大型飛機，例如空中巴士A350、A380、波音787均利用碳纖維複合材料來減輕耗油量。另外大型風力發電機的葉片，賽車、汽機車的車身均為碳纖維複合材料需求量增加的重要因素。
腳踏車的車架可使用碳纖維複合材料生產，具有重量輕、堅固及不生鏽的優點，但因碳纖維複合材料的製造成本較高，主要在高階車種採用。
纺织品
[编辑]碳纤维的前体是聚丙烯腈（PAN）， 人造纤维和沥青。碳纤维长丝纱被用于多个处理技术—直接的用途是用于预浸渍，长丝卷绕、拉挤、纺织及编织等。
微电极
[编辑]碳纤维用于碳纤维微电极的制作。在此应用中，通常為5至7微米直径的单个碳纤维被密封在玻璃毛细管[8]。在毛细管的尖端或者用环氧树脂密封并抛光制作成为碳纤维圆盘微电极，或纤维被切割成长度为75至150微米，制作成为碳纤维圆柱电极。碳纤维微电极使用，也可以在安培检测法或快速扫描循环伏安法检测生物化学信号。
生醫產業
[编辑]碳纖維經過活化之後，成為「活性碳纖維」。此種活性碳纖維具有大量的微孔，形成奈米空間，擁有極大的比表面積。具有吸附及脫附的能力，最常見的產品即是生活上所用的口罩。此種材料也被用在各種過濾器或水質淨化器中。
载具结构
[编辑]碳纤维比起传统钢材重量更轻强度更高，通常应用在赛车轻量化以及一些其他工业仪器的部件应用。
制造工艺
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一般用聚丙烯腈（PAN）、嫘縈、粘胶纤维等聚合物原料，先在200－300℃的空气中进行预氧化，继在氩气等惰性气体保护下，用約1700℃的高温完成驱除非碳原子的過程（碳化），最后加热到2600－3000℃成碳纤维。碳纤维的长丝可能被进一步处理以提高品质，然后卷绕到筒管[9]。
参见
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ Chaudhary, Anisha; Gupta, Vinay; Teotia, Satish; Nimanpure, Subhash; Rajak, Dipen K., Electromagnetic Shielding Capabilities of Metal Matrix Composites, Brabazon, Dermot (编), Encyclopedia of Materials: Composites, Oxford: Elsevier: 428–441, 2021-01-01 [2022-02-14], ISBN 978-0-12-819731-8 （英语）
- ^ 纖維紡織：碳纖維的故事. 科技大觀園.
- ^ 3.0 3.1 W.J. Cantwell, J Morton. The impact resistance of composite materials – a review. Composites. 1991, 22 (5): 347–62. doi:10.1016/0010-4361(91)90549-V.
- ^ Das, Sujit; Warren, Josh; West, Devin. Global Carbon Fiber Composites Supply Chain Competitiveness Analysis (PDF). Clean Energy Manufacturing Analysis Center. [2017-05-24]. （原始内容存档 (PDF)于2017-03-29）.
- ^ Market Report: World Carbon Fiber Composite Market. Acmite Market Intelligence. July 2010 [2014-07-13]. （原始内容存档于2011-09-02）.
- ^ Roman Hillermeier, Tareq Hasson, Lars Friedrich, Cedric Ball. Advanced Thermosetting Resin Matrix Technology for Next Generation High Volume Manufacture of Automotive Composite Structures (PDF). speautomotive.com. （原始内容 (PDF)存档于2015-09-21）.
- ^ “黑色黃金”，觸底等反彈. [2024-05-11]. （原始内容存档于2024-05-11）.
- ^ Pike, Carolyn M.; Grabner, Chad P.; Harkins, Amy B. Fabrication of Amperometric Electrodes. Journal of Visualized Experiments. 4 May 2009, (27). doi:10.3791/1040.
- ^ How It Is Made. zoltek.com. [2016-04-26]. （原始内容存档于2015-03-19）.
外部链接
[编辑]- Working with Carbon fiber for Robotics and R/C Aircraft （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Carbon Fiber in Formula One
- The Chemistry of Carbon Fiber （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Making Carbon Fiber （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Carbon Fiber Examples
- Luis and Clark Carbon Fiber Musical Instruments （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Carbon Fiber Musical Instruments XOX Audio Tools （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Carbon Fiber Rollers chiyo technique
