煤,在以前大家一定都挺熟悉的,煤就是碳的混合物。在自然界里,碳以三种不同的形式存在,就是炭、石墨和金刚石。碳有这三种不同存在形式是由碳原子的排列方式不同引起的,炭是非晶体,石墨是多晶体,而金刚石是单晶体,就是钻石。当然,它们的性能也大不一样。
科技人员通过不断的探索,研制成功了一种由碳元素组成的、具有石墨结构那样的一种特种纤维——碳纤维。它也具有石墨一样的优异性能,它沿纤维轴方向表现出很高的强度,是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又像铜那样能导电,具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型纤维。同时,它又相当柔软,可加工成各种织物。这种纤维因制造原料和工艺的不同,碳含量也会略有差异,一般在90%以上。
这样好的性能的纤维作什么用呢?
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,做成复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量等综合指标,在现有结构材料中是最高的一种。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的邻域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。
这样的复合材料无论是在我们的生活、工业生产、军事还是航天事业上都有不可替代用途。
在我们的生活中用到的有,如一些高档羽毛球拍、网球拍和钓鱼竿,以及撑杆跳的撑杆都是由碳纤维和树脂复合材料制成的。
在化学工业中,用碳纤维复合材料可制造耐腐蚀化工设备;用碳纤维制电子计算机的磁盘,能提高计算机的储存量和运算速度。
当然碳纤维复合材料的最重要用途还在军事和航天方面。
用碳纤维与树脂制成的复合材料所做的飞机非常轻巧,消耗动力少、噪音小;用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器,机械强度高,质量小,可节约大量的燃料。有一种垂直起落战斗机,它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4,占机翼重量的1/3。据报道,美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件喷嘴,以及先进的MX导弹发射管等,都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
利用碳纤维的导电性,可制造印刷厂、纺织厂等所需的抗静电刷;可制抗静电防尘服、耐高温消静电过滤网等。
也有直接把碳纤维用于战争的。那是1999年发生在南联盟科索沃的战争中,北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应,其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云,这些导电性纤维使供电系统短路。
目前,人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维,只能采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、黏胶丝等)做原料,将其中的氧及其他元素“烧”掉,转化为碳纤维。也有通过低分子烃类的气相热解来制取的。
目前世界上生产、销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维(即人造羊毛)直接固相碳化制得的。