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從碳纖維到碳布,它如何一步步變強

發布時間:2020-09-16 07:00:00發布作者:施邦實業文章來源:施邦實業

碳纖維(carbon fiber,簡稱CF),是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”,質量比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,并且具有耐腐蝕、高模量的特性,在國防軍工和民用方面都是重要材料。



孵化記:原料的選擇


碳纖維是由有機聚合物制成的,有機聚合物被碳原子保持在一起的長鏈分子組成。大多數碳纖維(約90%)是由聚丙烯腈(PAN)原料制成的,少量(約10%)是通過人造絲或瀝青原料生產的。



制造過程中使用的氣體、液體和其他材料會產生特定的效果,并形成不同質量和等級的碳纖維。碳纖維制造商使用專有配方和原料組合作為其生產的材料,通常,他們將這些特定配方視為高度商業秘密。



誕生:制作碳纖維


碳纖維生產制造涉及化學和機械過程,前驅體通過牽伸形成連續絲狀纖維,然后在惰性氣氛中高溫加熱,從而使纖維原子劇烈振動,以至于幾乎所有非碳原子都被排出。



經過高溫碳化處理后,剩余的纖維由緊密的長碳原子鏈組成,幾乎沒有或沒有剩余非碳原子。這些纖維隨后將被編織成織物或與其他材料組合,或通過長絲纏繞、模具加工等加工成期望的形狀和尺寸。


施邦碳纖維布編織生產線



變形記:編織大法


因為碳纖維是絲狀的,為了更好的發揮作用,需要對碳纖維進行編織,從而獲得碳纖維編織布。碳纖維布一般分為單向碳纖維布雙向碳纖維布、其他碳纖維布,今天小編主要為您介紹前兩種。


施邦碳纖維布生產車間


單向碳纖維布



單向碳纖維布是指在一個方向(通常是經向)具有大量的碳纖維絲,在另一方向只有少量并且通常是細的碳纖維絲,結果實際上布的全部強度都在第一方向上的一種碳纖維布。

平紋編織法

施邦平紋編織碳纖維布


其實單向碳纖維布并不是指只有一個方向有碳纖維,它經向和緯向都有碳纖維,但通常在緯向上只有少量的碳纖維紗,起到固定作用,防止其散開。該單向碳纖維布在經向保持了碳纖維的全部強度,特別有利于作為補強材料使用。因此單向碳纖維布和樹脂組合廣泛的應用于建筑、橋梁的加固材料


施邦碳纖維布

碳纖維強度是同等體截面鋼材的7-10倍,質量約為鋼材的1/5,具有強度高、質量輕、施工簡便(優越的樹脂浸漬性、易除氣泡、優良的作業性、捆包緊湊、輕便、可卷包、便攜、粘貼隨意性、對凹凸面的附著性優良、沿碳素纖維方向剪裁纖維絲不凌亂)、耐腐蝕的特性,是一種具有劃時代意義的加固材料,有著傳統加固材料無法比擬的優越性。



雙向碳纖維布


雙向碳纖維布是使用碳纖維絲束,經、緯雙向編織而成,可以利用機織、針織、編織等,其紋路還有多種。


1、平紋編織布

平紋編織的特點是經紗和緯紗以一上一下的規律交織。也就是經緯紗每隔一根紗就交錯一次,所以交織點最多,使織物堅牢、耐磨、硬挺、平整,但彈性較小,光澤一般,平紋織物密度不可能太高,較為輕薄,耐磨性較好,透氣性較好,布面均勻且正反面相同。這種碳纖維布的纖維束由于一直處于上下起伏的狀態,纖維彎曲點比較多,在受拉伸過程中伸長率較高



2、緞紋編織布

緞紋編織具備單獨的、互不連續的經交織點(或緯交織點)在組織循環中有規律的均勻分布,這樣的編織形式稱為緞紋。它的特點是經線(或緯線)浮線較長,交織點較少,它們雖形成斜線,但不是連續的,相互間隔距離有規律而均勻,此纖維布結構形式稱為緞紋組織。緞紋纖維布經紗和緯紗至少隔三根才交織一次,因此這種編織結構使織物密度更高,因而纖維布更加厚實。這種緞紋纖維布表面平滑勻整,質地柔軟,富有光澤或稍呈紋路。這類纖維布強度低于平紋和斜紋



3、斜紋編織布

斜紋編織纖維布具有與纖維束排布方向有一定夾角的斜向紋路,這個紋路方向上并不存在纖維束,而是由于纖維束經緯向編織過程,經向或緯向纖維束跳過兩束緯向或經向纖維進行編織。也就是纖維束一上一下的編織頻率減小,纖維束浮長增大,同時相鄰兩個纖維束錯開一個編織位。這種斜紋外觀具有很強的立體感,用來做汽車改裝制品,比如面板、引擎蓋、排氣筒等。



這三種編織形態由于碳纖維束受到彎曲和其他纖維束的影響造成碳纖維布的強度有差異,而且表征碳纖維編織布強度會有拉伸力、撕扯力、頂破力、彎曲力等,這些也是隨著編織方式的不同各有差異。總體來說在碳纖維束排布方向上的拉伸強度與纖維強度和纖維摩擦力相關。在研究編織結構對碳布強度的影響則有平紋>斜紋>緞紋。而在撕扯強度方面則有緞紋>斜紋>平紋



升職記:加固小能手


經過特殊編織等加工,碳纖維才變成了現在應用廣泛的碳纖維布。除了結構、外觀發生了變化。他的各方面性能從各方面都實現了質的飛越。因其強度高,密度小,厚度薄得特點,基本不增加加固構件自重及截面尺寸。適用面廣,廣泛適用于建筑物橋梁隧道等各種結構類型、結構形狀的加固修復和抗震加固及節點的結構加固。




從特點上來看,碳纖維布的高強高效性上,它的強度為普通鋼板的10倍,抗拉強度2500-3550mpa,彈性模量在2.35*105-5.0*105mpa。其次,在碳纖維布中也是分等級的,分為300g碳纖維布200g碳纖維布,在外觀上看不出所以然來,在力學的角度說那就是有區別的。



碳纖維布有一級300g、一級200g、二級300g、二級200g規格的碳布,在區別說小邦來跟你簡單分享:

一級碳纖維布的抗拉強度≥3400MPa,彈性模量≥230GPa,伸長率≥1.6%;

二級碳纖維布的抗拉強度≥3000MPa,彈性模量≥200GPa,伸長率≥1.5%。

總之一句話,在選擇碳纖維布的時候要求碳布抗拉強度為3400MPa,一級碳布抗拉強度設計值在重要構件中取1600MPa,在一般構件中取2300MPa



施邦碳纖維布質量數據


碳纖維布用于結構構件的抗拉、抗剪和抗震加固,該材料與配套浸漬膠共同使用成為碳纖維復合材料,可構成完整的性能卓越的碳纖維布片材增強體系,適用于處理建筑物使用荷載增加、工程使用功能改變、材料老化、混凝土強度等級低于設計值、結構裂縫處理、惡劣環境服役構件修繕、防護的加固工程。


施邦碳纖維布


施邦碳纖維布采用原裝進口建筑布專用12K高精碳絲成品,通過19項安全性檢測,打造完美的粘接性能,根據碳絲的延展性,施邦研發出配套的碳纖維浸漬膠,粘接匹配性能更佳,大幅提高碳纖維布的抗拉強度。選擇施邦!將會是你做的最正確的一個選擇!



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