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碳纤维为什么只有黑色的?

文章出处:网络责任编辑:编辑人气:发表时间:2018-11-04【


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  如果有人问碳纤维有什么愿望,我想它肯定会说想拍一张彩色照片。
  这当然是一句调侃(tiáo kǎn )的话,不过也正说明了碳纤维的颜色太单一,只有黑色的可选。上帝给了碳纤维黑色的外观,它却想创造多彩的生活。所以,有人开始在碳纤维的颜色上下起了功夫。今天这篇文章简单聊一聊碳纤维颜色那点事。
  碳(C)纤维为什么是黑色的最惯常的说法是,碳纤维是碳材料(Material),碳元素本来就是黑色的,所以碳纤维就是黑色的嘛。
  这里有两个错误,首先碳元素是没有颜色之说的。碳纤维配件一种含碳量在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。元素是一个抽象出来的,用来分类的概念,它是一类原子的总称,并没有所谓的宏观性质。就像我们说动物,我们没有办法说动物的身高、体重这种属性(property),只有具体到其中一种动物或者某一个体才能使用。所以,我们只有具体到哪种碳材料,才能说是什么颜色的。
内容来自123456

  其次,并不是所有碳(C)材料(Material)都是黑色的。金刚石也是碳材料,晶莹剔透、光彩夺目,跟常见的石墨(化学式C )、碳纤维大相径庭。以至于常人很难把金刚石归结为碳材料的范畴(category)。这里面颜色的差异就隐藏在组成碳材料原子的排列结构上。
  物质表现出不同的颜色,其原理在今天已经非常了解了,当物质(分子或离子)吸收了相当可见光能量的电磁辐射后,就会表现出被人眼所能觉察到的颜色。所以物质之所以具有不同的颜色,这是因为它对不同的波长的可见光具有选择(xuanze)性吸收的结果。而表现为黑色的碳(C)材料(Material),就是因为它吸收了所有波长可见光,所以表现为黑色。
  表现为黑色的碳(C)材料,如石墨(化学式C )、碳纤维、不定性碳等,之所以吸收所有的颜色的可见光,主要是因为含有石墨微晶这种结构。
  在元素周期表中,C排在第6位,原子核外有6个电子,按照电子排列规则,C原子最外层有4个自由电子,需要与其他电子组合成(解释:由几个部分合并成一个整体)化合建才能达到稳定状态。而石墨微晶结构中,1个碳(C)原子(化学式:C) 与周围3个碳原子形成共价键,组成六边形网格结构,这种六元网格结构堆垛起来,形成石墨微晶结构。 内容来自123456
  C原子4个自由电子中,除了形成化学键的3个电子,剩余1个自由电子,游离在六元网格上,与所有的自由电子形成一个覆盖(Cover)在六元网格上的大π键,这层自由电子可以自由移动,在加载电压之后,可以定向移动,使石墨结构具有很好的导电性,这也是石墨、碳(C)纤维等碳材料可以导电的原理。碳纤维制品由于碳纤维拥有极高的材质特性,因此碳纤维制品的强度大,硬度高,远超过同体积同重量的金属材质。因此,碳纤维制品在航空、航海、军工等高科技工业领域有着广泛的应用。也正是因为如此,此前世界上碳纤维技术发达的国家(美国、德国、日本、韩国),对于向中国输出碳纤维产品和技术,保持着极其谨慎的态度。即使在目前,我国碳纤维以及碳纤维制品的进口,还受到发达国家的严格控制。
  这层自由电子,就像一个大海绵,吸收各种颜色波长可见光能量。不过单层石墨(化学式C )六元网格结构还不足以将所有颜色波长可见光吸收,多层石墨六元网格结构的堆垛,才能使石墨微晶结构表现为黑色。
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  而金刚石材料(Material)中1个碳原子与周围4个碳原子形成共价键,没有可以自由移动的电子,不吸收任何可见光。光线照射进来被折射一圈之后,又被折射出去,所以表现为晶莹剔透的无色。同时没有自由移动的自由电子,就没有导电的可能,所以,金刚石不能导电。
  上帝给了黑色的外表,它却想创造多彩的生活。尤其是汽车改装领域,人们痴迷于碳(C)纤维纹路的科技感外观,却又烦恼颜色太单一。有些脑子活络的商人,看准用户的这一需求,发明了具有碳纤维纹路的贴膜,来丰富(plump)外观。也有的厂商琢磨如何给碳纤维添加不同的颜色。
  可是碳纤维表面并没有活性基团,很难用染色剂染色。通常厂商将碳纤维与其他颜色纤维,如芳纶、玄武岩、玻纤等混编,来制造不同颜色的织物。甚至有非常多不良厂商,将玻璃纤维染上黑色,冒充碳纤维,来欺骗不明就里的用户。 123456
  混编得来的颜色往往不能尽如人意,也有厂商考虑在碳(C)纤维表面镀一层金属涂层,来达到改变颜色的目的,或者在与碳纤维复合的树脂内加入一些着色剂来改变外观。碳纤维配件“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。它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。苹果公司就采用一种叫做 ;scrim ;的涂层,来给碳纤维上色。
  市场(shì chǎng)的刺激在缓步进行,技术的发展总有个过程,当碳(C)纤维提供给人更强、更轻的属性(property)后,下一步可能就是更炫。
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