碳纖維管密度的新型測量方式科普

碳纖維管密度的新型測量方式科普

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

碳纖維管、板、箱體和多種異形件，已經成功幫助各種機械設備、制品減重，究其原因還是因為碳纖維的密度小。究竟有多小，我們拿碳纖維管來說明，然后再延伸一下，做一個碳纖維管密度測量的方式科普。

碳纖維管密度是多少？

首先需要明確一下問題，碳纖維管并不是純粹由碳纖維原絲制成的，當然碳纖維原絲也沒法制成管。碳纖維管其實是碳纖維復合材料制成的，碳纖維復合材料由碳纖維原絲和樹脂通過各種方式混合而成。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。通俗的來說，就是碳纖維復合材料的密度并不是固定的，得實際情況實際測量分析而知。

拿目前市面上用的較多的碳纖維增強熱固性環氧樹脂復合材料來說，密度大約在1.6g/cm^3左右，因此環氧樹脂的碳纖維管的密度也在這個范圍上下。

單數這個密度，估計大家還無法理解，得著個參照物，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，換算成同樣強度的碳纖維管和鋼管，重量相差就可以達到42倍，差距就是這么大。

碳纖維管密度的新型測量方式

學習過物理的人，可能還記的測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，才測量計算，得到物體的體積，再用重量/體積，得到物體的平均密度。這個方法在測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，都是前人智慧的結晶。

給大家科普的新型測量方法，叫氣體容積法，其實這個方式已經出來有些年頭了，但是確實比上面幾種要新，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精確和可靠地測定纖維、粉末等材料的密度，它是根據波義耳定律，密閉氣體體積的降低與壓力的增加成正比，惰性氣體例如氮氣和氦氣在室溫下具有理想氣體的性能，通過對兩個已知體積的倉室通入惰性氣體，進行兩個壓力的精密測量，根據氣體壓力的變化來確定樣品的體積，從而得到其密度。

氣體容積法的優勢有4點，1是降低環境污染；2是可批量進行；3是傻瓜式自動化操作；4是精確度更高。因此氣體容積法得到了更廣泛的認可和使用，隨著ISO 10119：2020《碳纖維 密度的測定》國際標準的發布和推行，氣體容積法這個碳纖維密度測定的新方法將會在全球廣泛地為碳纖維生產和應用企業所采用。
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