問：碳纖維是什么？ 返回常見問題解答

碳纖維是由有機母體纖維(例如粘膠絲、聚丙烯腈或瀝青)采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下制成的。其結果是除碳以外的所有元素都予以去除。 碳纖維還是一種力學性能優異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7~9倍,抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高,則構件自重愈小,比模量愈高,則構件的剛度愈大,從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景,綜觀多種新興的復合材料(如高分子復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料)的優異性能, 不少人預料,人類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個復合材料廣泛應用的時代。

碳纖維研制和應用可以追溯到1850年的碳素燈絲,此后的研究應用一直處于停滯狀態,到上世紀五十年代隨著工業技術的發展和軍事工業的要求,碳纖維的研制和生產,相繼解決了原絲的選擇和高溫碳化的工業生產工藝,使碳纖維應用才進入到一個新階段。首先是在航空航天等軍事領域的應用,逐步擴展到高級民用工業,而真正用于建筑工程結構加固也就只有近十多來年的歷史。

碳纖維和石墨纖維一般統稱為碳纖維,含碳量都在95%以上,但碳元素只有在高溫高壓下才能熔融,不可能直接從碳元素制取碳纖維,理論上任何有機纖維經碳化后均可制成碳纖維,實際上目前具有工業意義的原絲僅有聚丙烯腈纖維(PAN)和中間相瀝青,各國生產碳纖維主要是以聚丙烯腈纖維為原料,經過高溫碳化等特殊工藝加工成極細的纖維絲(直徑5~10μm),提高單絲強度,使一定量纖維的表面積增大很多,更利于加強與樹脂膠的結合。

過去制約碳纖維加固技術應用的因素之一是原絲和成品的價格,剛研制成功時每公斤的碳纖維原絲價在1000美元以上,當前已降至30美元以下;碳纖原絲產量最高的國家仍是日本和美國,而以碳纖布商品進入中國大陸市場的則有日本、法國、瑞士和臺灣等地的產品,用進口原絲加工編織的國產碳纖布亦開始進入市場,市場競爭日趨激烈,價格正在逐漸下降。

應用:碳纖維成品在土木工程中應用主要有纖維布、纖維板、棒材、型材、短纖維等,各有不同的使用范圍,而當前加固工程中用量最大和最普遍的還是碳纖維布(片),碳纖維布常用的規格是200g/m2和300g/m2,厚度分別是0.111mm和0.167mm;碳纖維復合板厚度一般為1.2~1.4mm,由3~4層碳纖布經過樹脂浸漬固化而成,主要用于梁、板的加固,用纖維板加固的結構,外形規整,施工簡便,但原材單價較高,國內使用尚不普及。

高性能碳纖維布的最主要指標仍是其強度、彈性模量和斷裂伸長.一般抗拉強度都在3500 Mpa 以上,彈模在230000 Mpa 以上, 伸長率在1.4%以上,結構加固主要是利用碳纖維的高抗拉性能,廣泛用于鋼筋混凝土結構的梁、板、柱和構架的節點加固,也很適合用于古建筑物或砌體結構的維修加固,恢復和提高結構的承載能力和抗裂性能,國內外成功的應用實例已不勝枚舉。1995年日本板神大地震和臺灣大地震后之后,碳纖維作為耐震補強材料和技術的地位得到了進一步的發展和確定。