自行车探秘:碳架的原始材料—碳纤维

2016-07-15 12:00:00 来源:

碳纤维,正如其名,是由碳元素组成的纤维。标准弹性率碳纤维的碳素含量在90%以上,高弹性率碳纤维几乎是由100%的碳素组成。碳以外主要的元素是氮。

碳纤维,将聚丙烯腈(PAN)纤维或者人造树脂纤维这种有机纤维在非活性气体中进行高温碳化,分离掉碳以外的元素。在市场上销售的90%以上的碳纤维,是以PAN纤维为原料制成的PAN系碳纤维,权衡性能,成本,使用简易程度等方面因素后来看,它比人造树脂纤维更为优秀。

提及碳纤维的特性,不得不说到质量轻且强度高这点。其比重在1.8左右,是比重7.8的铁的1/4左右,即便和比重2.7的铝或者比重2.5的玻璃纤维相比依然是更轻的材料,而且强度及拉伸模量更佳。按比重等分的拉伸强度约是铁的10倍,而比重等分的拉伸弹性模量也大约是铁的7倍。这点正是碳纤维取代以往金属材料被确定为轻量化材料的原因。

碳纤维有着不会疲劳、不生锈、化学性?热稳定性好等多种特性,是即便在严酷条件下也可以长期稳定保持自身特性的可高度信赖的材料。

 

碳纤维研制和应用可以追溯到1850年的碳素灯丝,此后的研究应用一直处于停滞状态,到上世纪五十年代随着工业技术的发展和军事工业的要求,碳纤维的研制和生产,相继解决了原丝的选择和高温碳化的工业生产工艺,使碳纤维应用才进入到一个新阶段。

碳纤维作为新一代的“材料之王”,在高级工业领域的应用主要体现在自行车领域。碳纤维作为一种新型的复合材料,直径细如发丝,一直以重量轻、高模量、高强度、性能稳定而著称。同时它易于裁剪,通过纤维排列不同取向来满足不同应力需求,固化后尺寸稳定,收缩性低,具有优良的力学性能。以碳纤维替代钢或铝金属材料,应用在自行车上,减重效率可达30%,相当于增加有效骑行力45%以上,可完全满足骑乘者骑行运动、休闲健身时,所需要的自重轻、强度高、刚性强、性能稳定、骑行舒适的诉求,是自行车运动器材的首选材料。

其次是在航空航天等军事领域的应用,活用碳纤维特性,机身、主翼、尾翼等结构材料通过采用碳纤维复合材料而实现轻量化,节省燃油,这样舒适的喷气式客机波音787等正渐渐步入世界舞台。

碳纤维对环境而言也是极其友好的材料,根据LCA生命周期评估方法,从原料开采到碳纤维产品的使用,废弃为止的生命周期方法对碳纤维给环境的影响程度进行了评价。其结果是,在汽车车身采用碳纤维,车体结构实现30%轻量化的情况下,1吨碳纤维可以得到50吨的减排效果,而飞机机身构造20%轻量化的情况下,10年的生命周期可以得到1400吨的减排效果。

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