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中国国防的材料中的软黄金-碳纤维

发布:碳纤维  时间:2017-06-10  浏览:84


在我国的军事研究中,特别是航天航空研究中,一直被材料所制约。这些材料发达国家一般不会出口。特别是——碳纤维!爱迪生于1879年将棉纱进行碳化而制成最初的碳纤维。当时是将其作为电灯泡的灯丝,因其质脆易碎,后由钨丝取代,但碳纤维的低密度、高模量、耐高温等特性引起了人们的普遍关注。

碳纤维

20世纪60年代以来在碳纤维的研制方面取得重大突破,目前已形成了以粘胶、腈纶和沥青三种材料为基材的三大类碳纤维。而以腈纶为原料的碳纤维在性能方面的优势使得目前世界上生产销售的碳纤维绝大部分都是用腈纶纤维固相碳化制得的,成为碳纤维的主体。碳纤维是随航空航天技术的需要发展起来的。高速飞行的航空航天器的制作需要质量轻、强度高、韧性好、抗高温的材料,目前金属等一般材料很难达到要求,而由碳纤维与某些合成树脂组成的复合材料却能达到其要求,因此在航空航天方面得到广泛使用。

高速飞行的航空航天器

由于碳纤维是重要的航天航空及军工材料,所以目前世界上主要生产国为英、美、日、德等国。我国也很重视碳纤维的研发,近年来已取得重要成果,并实现了工业化生产。目前我国航天器的制造者引吏用了我国自己生产的碳纤维产品。用腈纶生产碳纤维的过程为先将腈纶纤维进行预氧化:在空气中加热,维持在200300数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯形结构,以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。然后将预氧化的聚丙烯腈纤维碳化:在惰性气氛中加热至12001600摄氏度,维持数分至数十分钟,使原丝中的其他元素变成各种气体化合物排出,只剩下碳元素按叠层状排列,碳的含量达90%以上,就可生成具有高强度、高模量的碳纤维产品;所用的膺性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气,但一般多用高纯氮气。最后将得到的碳纤维石墨化:再在惰性气体(一般为高纯氩气)加热至2000-3000摄氏度,维持数秒至数十秒钟,可使碳元素形成像石墨样的晶体并沿一定方向有序排列。这样生成的碳纤维强度和模量都会大大提高,也称石墨纤维。碳纤维的特点:一是密度小,密度为1.71.9克/厘米3,而铁为7.8克/厘米3;三是强度大,强度为普通尼龙的2倍,不锈钢丝的5倍;三是耐热性好,在隔绝氧气的条件下能耐3000摄氏度的高温。

碳纤维还具有耐腐蚀

碳纤维还具有耐腐蚀、导电、传热、膨胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维具有那么多的优异性能。碳纤维一般不单独使用,而是将其作为增强材料加入到树脂、金属或陶瓷等基体中作为复合材料,其主要用途有:在宇航方面,它是制造宇宙飞船、航空飞行器、运载火箭等的发动机壳体、卫星壳体、卫星支架结构和连接支架等重要结构的材料。在航空方面,碳纤维复合材料是高速飞机、直升机和大型客机的骨架材料和结构材料,可用作飞机机舱地板、减速板、直升机桨叶、机翼、刹车片等。在军事领域主要用作导弹和潜水艇的结构材料,以及防雷达伪装罩等。在交通运输方面,用作车身、车轮、卡车大梁、传动轴、减速器、发动机翼和小船桅杆等骨架。在土木建筑方面,超高层建筑外墙掺入碳纤维的混凝土不仅强度高、重量轻,而且防水、抗震能力强;桥墩、地下停车场、桥梁等可用碳纤维做材料加固或修补。在医疗和体育方面主要用于医疗器材、人造关节、网球拍、高尔夫球杆、钓鱼竿、跳高撑竿及登山探险装置等。在机电方面用于特殊要求的轴承材料、耐磨部件、气体离心机的转子,超高压输电架空线、大容量计算机信息库等。

碳纤维直升机桨叶

在纺织机械方面,可做自动针织横机的滑块、剑杆织机的剑杆头和剑杆带、轴承、凸轮、齿轮、活塞等零部件,其耐磨度和强度得到显著提高,且重量轻。



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