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碳纤维的结构与性能

基本结构

理想石墨晶体的点阵结构属于六方晶系,它是由碳原子组成六元环网状结构的多层叠合体,在六元环中,碳原子以sp 2杂化的形势存在,sp2杂化是有12s电子和22p电子进行杂化,构成3个等价的σ强键,键距为0.1421nm,平均键能为627kJmol,键角互为120

同一平面内剩下的纯2p轨道垂直于30键所在的平面,构成π键各碳原子的π键彼此平行而重叠,形成一个大π键;π电子上的非定域电子可自由地平行于层面运动,赋予其导电性能。它们可以吸收可见光,使石墨呈现黑色。石墨层面间依靠范德华力作用,远远小于层内的价键力,层间距0.3354nm,键能为5.4kJmol,石墨层相互错开六元形对称的一半,每隔一-层重复,形成ABAB.结构[4],而赋予其自润滑性和层间易插层性。碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨,属于多晶乱层石墨结构。与石墨结构的差别在于它的原子层面之间发生了不规则的平移与转动,其六元网状共价键结合在-起的原子层基本上平行于纤维轴排列,所以一般认为碳纤维是由沿着纤维轴高度取向的乱层石墨结构组成,致使其具有极高的轴向拉伸模量。石墨的层状结构具有显著的各项异性,使其物性也呈现出各项异性。

碳纤维性能及应用

碳纤维按状态分为长丝、短纤维和短切纤维;按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000 MPa、模量为10OGPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。强度大于4000MPa的又称为超高强型;模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展,还出现了高强高伸型碳纤维,其延伸率大于2%。用量大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。碳纤维的轴向强度和模量高,无蠕变,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小,耐腐蚀性好,纤维的密度低,X射线透过性好。但其耐冲击性较差,容易损伤,在强酸作用下发生氧化,与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。


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