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从碳纤维到碳布,它如何一步步变强

发布时间:2020-09-16 07:00:00发布作者:施邦实业文章来源:施邦实业

碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。



孵化记:原料的选择


碳纤维是由有机聚合物制成的,有机聚合物被碳原子保持在一起的长链分子组成。大多数碳纤维(约90%)是由聚丙烯腈(PAN)原料制成的,少量(约10%)是通过人造丝或沥青原料生产的。



制造过程中使用的气体、液体和其他材料会产生特定的效果,并形成不同质量和等级的碳纤维。碳纤维制造商使用专有配方和原料组合作为其生产的材料,通常,他们将这些特定配方视为高度商业秘密。



诞生:制作碳纤维


碳纤维生产制造涉及化学和机械过程,前驱体通过牵伸形成连续丝状纤维,然后在惰性气氛中高温加热,从而使纤维原子剧烈振动,以至于几乎所有非碳原子都被排出。



经过高温碳化处理后,剩余的纤维由紧密的长碳原子链组成,几乎没有或没有剩余非碳原子。这些纤维随后将被编织成织物或与其他材料组合,或通过长丝缠绕、模具加工等加工成期望的形状和尺寸。


施邦碳纤维布编织生产线



变形记:编织大法


因为碳纤维是丝状的,为了更好的发挥作用,需要对碳纤维进行编织,从而获得碳纤维编织布。碳纤维布一般分为单向碳纤维布双向碳纤维布、其他碳纤维布,今天小编主要为您介绍前两种。


施邦碳纤维布生产车间


单向碳纤维布



单向碳纤维布是指在一个方向(通常是经向)具有大量的碳纤维丝,在另一方向只有少量并且通常是细的碳纤维丝,结果实际上布的全部强度都在第一方向上的一种碳纤维布。

平纹编织法

施邦平纹编织碳纤维布


其实单向碳纤维布并不是指只有一个方向有碳纤维,它经向和纬向都有碳纤维,但通常在纬向上只有少量的碳纤维纱,起到固定作用,防止其散开。该单向碳纤维布在经向保持了碳纤维的全部强度,特别有利于作为补强材料使用。因此单向碳纤维布和树脂组合广泛的应用于建筑、桥梁的加固材料


施邦碳纤维布

碳纤维强度是同等体截面钢材的7-10倍,质量约为钢材的1/5,具有强度高、质量轻、施工简便(优越的树脂浸渍性、易除气泡、优良的作业性、捆包紧凑、轻便、可卷包、便携、粘贴随意性、对凹凸面的附着性优良、沿碳素纤维方向剪裁纤维丝不凌乱)、耐腐蚀的特性,是一种具有划时代意义的加固材料,有着传统加固材料无法比拟的优越性。



双向碳纤维布


双向碳纤维布是使用碳纤维丝束,经、纬双向编织而成,可以利用机织、针织、编织等,其纹路还有多种。


1、平纹编织布

平纹编织的特点是经纱和纬纱以一上一下的规律交织。也就是经纬纱每隔一根纱就交错一次,所以交织点最多,使织物坚牢、耐磨、硬挺、平整,但弹性较小,光泽一般,平纹织物密度不可能太高,较为轻薄,耐磨性较好,透气性较好,布面均匀且正反面相同。这种碳纤维布的纤维束由于一直处于上下起伏的状态,纤维弯曲点比较多,在受拉伸过程中伸长率较高



2、缎纹编织布

缎纹编织具备单独的、互不连续的经交织点(或纬交织点)在组织循环中有规律的均匀分布,这样的编织形式称为缎纹。它的特点是经线(或纬线)浮线较长,交织点较少,它们虽形成斜线,但不是连续的,相互间隔距离有规律而均匀,此纤维布结构形式称为缎纹组织。缎纹纤维布经纱和纬纱至少隔三根才交织一次,因此这种编织结构使织物密度更高,因而纤维布更加厚实。这种缎纹纤维布表面平滑匀整,质地柔软,富有光泽或稍呈纹路。这类纤维布强度低于平纹和斜纹



3、斜纹编织布

斜纹编织纤维布具有与纤维束排布方向有一定夹角的斜向纹路,这个纹路方向上并不存在纤维束,而是由于纤维束经纬向编织过程,经向或纬向纤维束跳过两束纬向或经向纤维进行编织。也就是纤维束一上一下的编织频率减小,纤维束浮长增大,同时相邻两个纤维束错开一个编织位。这种斜纹外观具有很强的立体感,用来做汽车改装制品,比如面板、引擎盖、排气筒等。



这三种编织形态由于碳纤维束受到弯曲和其他纤维束的影响造成碳纤维布的强度有差异,而且表征碳纤维编织布强度会有拉伸力、撕扯力、顶破力、弯曲力等,这些也是随着编织方式的不同各有差异。总体来说在碳纤维束排布方向上的拉伸强度与纤维强度和纤维摩擦力相关。在研究编织结构对碳布强度的影响则有平纹>斜纹>缎纹。而在撕扯强度方面则有缎纹>斜纹>平纹



升职记:加固小能手


经过特殊编织等加工,碳纤维才变成了现在应用广泛的碳纤维布。除了结构、外观发生了变化。他的各方面性能从各方面都实现了质的飞越。因其强度高,密度小,厚度薄得特点,基本不增加加固构件自重及截面尺寸。适用面广,广泛适用于建筑物桥梁隧道等各种结构类型、结构形状的加固修复和抗震加固及节点的结构加固。




从特点上来看,碳纤维布的高强高效性上,它的强度为普通钢板的10倍,抗拉强度2500-3550mpa,弹性模量在2.35*105-5.0*105mpa。其次,在碳纤维布中也是分等级的,分为300g碳纤维布200g碳纤维布,在外观上看不出所以然来,在力学的角度说那就是有区别的。



碳纤维布有一级300g、一级200g、二级300g、二级200g规格的碳布,在区别说小邦来跟你简单分享:

一级碳纤维布的抗拉强度≥3400MPa,弹性模量≥230GPa,伸长率≥1.6%;

二级碳纤维布的抗拉强度≥3000MPa,弹性模量≥200GPa,伸长率≥1.5%。

总之一句话,在选择碳纤维布的时候要求碳布抗拉强度为3400MPa,一级碳布抗拉强度设计值在重要构件中取1600MPa,在一般构件中取2300MPa



施邦碳纤维布质量数据


碳纤维布用于结构构件的抗拉、抗剪和抗震加固,该材料与配套浸渍胶共同使用成为碳纤维复合材料,可构成完整的性能卓越的碳纤维布片材增强体系,适用于处理建筑物使用荷载增加、工程使用功能改变、材料老化、混凝土强度等级低于设计值、结构裂缝处理、恶劣环境服役构件修缮、防护的加固工程。


施邦碳纤维布


施邦碳纤维布采用原装进口建筑布专用12K高精碳丝成品,通过19项安全性检测,打造完美的粘接性能,根据碳丝的延展性,施邦研发出配套的碳纤维浸渍胶,粘接匹配性能更佳,大幅提高碳纤维布的抗拉强度。选择施邦!将会是你做的最正确的一个选择!



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