碳纖維是由片狀石墨微晶沿纖維軸向方向堆砌而成的所謂“亂層”結(jié)構(gòu)，通常也把碳纖維的結(jié)構(gòu)看成由兩維有序的結(jié)晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大[7]。碳纖維各層面間的間距約為3.39～3.42Å，各平行層面間的各個碳原子，排列不如石墨那樣規(guī)整，層與層之間借范德華力連接在一起。
2、性能特征
碳纖維的化學(xué)性能與碳十分相似，在空氣中當(dāng)溫度高于400℃時即發(fā)生明顯的氧化，氧化產(chǎn)物CO2、CO在纖維表面散失，所以其在空氣中的使用溫度不能太高，一般在360℃以下。但在隔絕氧的情況下，使用溫度可大大提高到1500～2000℃，而且溫度越高，纖維強(qiáng)度越大。碳纖維的徑向強(qiáng)度不如軸向強(qiáng)度，因而碳纖維忌徑向強(qiáng)力（即不能打結(jié)）[8]。
碳纖維有通用型（GP）、高強(qiáng)型（HT）、高模型（HM）、高強(qiáng)高模（HP）等多種規(guī)格，其性能指標(biāo)見表3。
表3 碳纖維的規(guī)格與性能
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規(guī)格 |
高強(qiáng)型HT |
高模型HM |
通用型GP |
高強(qiáng)高模型HP |
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直徑/um |
7 |
5~8 |
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9~18 |
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強(qiáng)度/（×103Mpa） |
2.5~4.5 |
2.0~2.8 |
0.78~1.0 |
3.0~3.5 |
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模量/（×103Gpa） |
2.0~2.4 |
3.5~7.0 |
3.8~4.0 |
4.0~8.0 |
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伸長/% |
1.3~1.8 |
0.4~0.8 |
2.1~2.5 |
0.4~0.5 |
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比重/（g/cm3） |
1.78~1.96 |
1.40~2.00 |
1.76~1.82 |
1.9~2.1 |
碳纖維有如下的優(yōu)良特性：① 比重輕、密度小；② 超高強(qiáng)力與模量；③ 纖維細(xì)而柔軟；④ 耐磨、耐疲勞、減振吸能等物理機(jī)械性能優(yōu)異；⑤ 耐酸、堿和鹽腐蝕，可形成多孔、表面活性、吸附性強(qiáng)的活性碳纖維；⑥ 熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率高，不出現(xiàn)蓄能和過熱；高溫下尺寸穩(wěn)定性好，不燃，熱分解溫度800℃，極限氧指數(shù)55；⑦ 導(dǎo)電性、X射線透過性及電磁波遮蔽性良好；⑧ 具有潤滑性，不沾潤在熔融金屬中，可使其復(fù)合材料磨損率降低；⑨ 生物相容性好，生理適應(yīng)性強(qiáng)。
碳纖維力學(xué)性能主要是抗張強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長等3個參數(shù)，變異系數(shù)即CV值= 標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值×100(%) ，碳纖維的CV值是設(shè)計構(gòu)建的一項重要指標(biāo)，如果碳纖維的CV值較小，涉及碳纖維拉伸強(qiáng)度等利用率高，可充分發(fā)揮其增強(qiáng)效果。在使用碳纖維時，大多制造成復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)件。對于同一性能的結(jié)構(gòu)件，碳纖維的CV值越小，用量少，增強(qiáng)效果好；如果CV值較大，用量較多，構(gòu)件笨重，增強(qiáng)效果差。表4為民用碳纖維的力學(xué)性能[9]。
表4 民用碳纖維力學(xué)性能
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項目 |
拉伸強(qiáng)度/ GPa |
彈性模量/ GPa |
伸長率/ % |
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碳纖維 |
3.30 |
230 |
1.52 |
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CV值/ % |
3.75 |
0.95 |
- |
由表4可看出，所生產(chǎn)的碳纖維具有較高的強(qiáng)度和模量，而伸長率較低，表明該材料具有較大的剛性；同時材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量的CV值都較低，表明材料的均一性較好。
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