碳纖維管密度的新型測(cè)量方式科普

碳纖維復(fù)合材料作為近幾十年新型材料的代表，在工業(yè)輕量化發(fā)展的進(jìn)程中扮演著舉足輕重的作用。航空航天和軍工領(lǐng)域作為前沿，已經(jīng)嘗到了它的甜頭，所以更多的領(lǐng)域中出現(xiàn)了它的身影。

碳纖維管、板、箱體和多種異形件，已經(jīng)成功幫助各種機(jī)械設(shè)備、制品減重，究其原因還是因?yàn)樘祭w維的密度小。究竟有多小，我們拿碳纖維管來(lái)說(shuō)明，然后再延伸一下，做一個(gè)碳纖維管密度測(cè)量的方式科普。

碳纖維管密度是多少？

首先需要明確一下問(wèn)題，碳纖維管并不是純粹由碳纖維原絲制成的，當(dāng)然碳纖維原絲也沒法制成管。碳纖維管其實(shí)是碳纖維復(fù)合材料制成的，碳纖維復(fù)合材料由碳纖維原絲和樹脂通過(guò)各種方式混合而成。碳纖維原絲的密度基本是固定的，而樹脂的范圍就比較廣，密度相差的就比較大了。通俗的來(lái)說(shuō)，就是碳纖維復(fù)合材料的密度并不是固定的，得實(shí)際情況實(shí)際測(cè)量分析而知。

拿目前市面上用的較多的碳纖維增強(qiáng)熱固性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，密度大約在1.6g/cm^3左右，因此環(huán)氧樹脂的碳纖維管的密度也在這個(gè)范圍上下。

單數(shù)這個(gè)密度，估計(jì)大家還無(wú)法理解，得著個(gè)參照物，比如鋼管。鋼管由合金鋼制成，合金鋼的密度基本固定，在7.8g/cm^3，換算成同樣強(qiáng)度的碳纖維管和鋼管，重量相差就可以達(dá)到42倍，差距就是這么大。

碳纖維管密度的新型測(cè)量方式

學(xué)習(xí)過(guò)物理的人，可能還記的測(cè)量物體密度的一些方法，比如浮沉法，就是把物體泡在水里，得到溢出的水的重量，才測(cè)量計(jì)算，得到物體的體積，再用重量/體積，得到物體的平均密度。這個(gè)方法在測(cè)量較小的碳纖維管還可以使用，但是限制較多。另外還有液體置換法和密度梯度柱法，都是前人智慧的結(jié)晶。

給大家科普的新型測(cè)量方法，叫氣體容積法，其實(shí)這個(gè)方式已經(jīng)出來(lái)有些年頭了，但是確實(shí)比上面幾種要新，而且可操作性也更好。

氣體容積法是用惰性氣體取代液體來(lái)精確和可靠地測(cè)定纖維、粉末等材料的密度，它是根據(jù)波義耳定律，密閉氣體體積的降低與壓力的增加成正比，惰性氣體例如氮?dú)夂秃庠谑覝叵戮哂欣硐霘怏w的性能，通過(guò)對(duì)兩個(gè)已知體積的倉(cāng)室通入惰性氣體，進(jìn)行兩個(gè)壓力的精密測(cè)量，根據(jù)氣體壓力的變化來(lái)確定樣品的體積，從而得到其密度。

氣體容積法的優(yōu)勢(shì)有4點(diǎn)，1是降低環(huán)境污染；2是可批量進(jìn)行；3是傻瓜式自動(dòng)化操作；4是精確度更高。因此氣體容積法得到了更廣泛的認(rèn)可和使用，隨著ISO 10119：2020《碳纖維 密度的測(cè)定》國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和推行，氣體容積法這個(gè)碳纖維密度測(cè)定的新方法將會(huì)在全球廣泛地為碳纖維生產(chǎn)和應(yīng)用企業(yè)所采用。