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无处不在的碳纤维

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无处不在的碳纤维
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编辑推荐语
科学是无边界的,思想也不能让自己终结。人类正是凭借着永无止境的探索精神,才能不断超越自身发展的极限。新技术已经带给我们关于未来的无限展望,而它也正在悄悄地改变着我们自己和我们的世界。 孙银霞等编著的《无处不在的碳纤维》是关于科技发展最前沿的故事,如果你想知道明天的世界会是什么样子,就请走进这个故事中吧……
内容提要
本套丛书作为新材料、新能源的科普读物,宗旨鲜明,风格独特,系统 性强,认真探讨了人类与能源材料和谐的发展历程和方向。与一般科普读物 相比,具有如下鲜明的特点:一是内容丰富时代感强,本丛书共18个分册, 紧扣当前能源、材料发展的困境,以新能源、新材料方面最新的研究成果及 翔实的资料为基础,用通俗易懂的文字分别叙述了与人类生存、发展最密切 的各种新能源和新材料,构成了一个完整的知识体系。
《无处不在的碳纤维》是其中一册,宗旨鲜明,风格独特,系统性强, 认真探讨了人类与能源材料和谐的发展历程和方向。与一般科普读物相比, 内容丰富时代感强,从多视角,多层次、全方位介绍了材料和能源领域的基 础知识和发展动态,深入浅出地展示了材料和能源的发展脚步。主要内容包 括:碳纤维的登场;翱翔蓝天的精灵;神通广大的美猴王;多姿多彩的碳纤 维等。
《无处不在的碳纤维》由孙银霞等编著。
目录
第一章  纤维的登场
  第一节  神奇的碳元素
    一、开拓铁器时代
    二、碳的家族
    三、不老传说
    四、工业的粮食和血液
  第二节  同主人公相见
第一章  纤维的登场
  第一节  神奇的碳元素
    一、开拓铁器时代
    二、碳的家族
    三、不老传说
    四、工业的粮食和血液
  第二节  同主人公相见
    一、主人公诞生了
    二、一家三兄弟
    三、各有千秋尽其用
  第三节  飞入百姓家
    一、碳纤维液体壁纸
    二、走进生活的碳纤维
  第四节  哪里有“我”的空间?
第二章  翱翔蓝天的精灵
  第一节  与嫦娥共舞
    一、航天飞机
    二、人造卫星
    三、火箭与导弹
  第二节  与神鹰比翼
    一、无人战斗机
    二、飞机
    三、直升机
    四、自由飞翔的碳纤维“聪明鸟”
    五、碳纤维机器人蜜蜂
第三章  神通广大的美猴王
  第一节  汽车
    一、瘦身革命
    二、轻质精巧
  第二节  “电”力十足
    一、风力发电
    二、太阳能发电
  第三节  电子工业
    一、电磁屏蔽
    二、电戡电缆
  第四节  油田钻探
    一、抽油杆
    二、高强度钻杆
  第五节  化学工业表现非凡
  第六节  环保污水处理
第四章  多姿多彩的碳纤维
  第一节  奇特的建筑
    一、大名鼎鼎的吹气大桥
    二、不得不看的巢形摩天楼
    三、“会呼吸”的碳纤维表皮
    四、个性十足的碳纤维椅子
    五、碳纤维管造大桥
    六、环形踏板式楼梯及各种梯子
  第二节  风驰电“车”
    一、超级大巴
    二、世界最快汽车
    三、世界首款风能碳纤维汽车
    四、小轿车
  第三节  探索神秘世界
    一、天空翱翔
    二、畅游水下世界
    三、水下蛟龙
    四、碳纤维炸弹知多少
  第四节  建筑领域的“潜力股”
    一、建筑加固
    二、结构修复
    三、土木建筑
第五章  让世界更精彩
  第一节  有“我”运动无极限
    一、钓具
    二、高尔夫球杆
    三、球拍
    四、弓箭
    五、自行车
    六、撑杆
    七、F1摩托艇
    八、游艇
    九、创新性桅杆
  第二节  把“药”穿身上
    一、烧伤敷料
    二、医疗器件
    三、医用器材
  第三节  生命不再有残缺
    一、残疾选手雪山飞驰
    二、无腿飞人
  第四节  如你所想,无尽可能
    一、未来碳纤维电动车可能会飞起来
    二、让你飞着去上班
第六章  我们身边的碳纤维
  第一节  关爱你的健康
    一、电热器材
    二、取暖与保健
    三、散热元件
  第二节  你的生活我做主
    一、让你大开眼界的筷子
    二、浴缸
    三、与奢侈品的“不解情缘”
    四、爱酒人士的新选择
  第三节  电脑
    一、电脑外壳
    二、鼠标
  第四节  “魔吉拖”你敢穿吗?
  第五节  “咖啡碳纤维T恤”吸臭及防紫外线
  第六节  机器人部件
  第七节  碳纤维眼镜
  第八节  谁的拇指在舞蹈
    一、音响设备
    二、碳纤维吉他——谁说不可以
  第九节  轻工制品
    一、理发工具
    二、伞架
    三、眼镜框架
    四、铅笔芯
    五、手提箱、手提包和钱包
参考文献
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精彩试读
第一章碳纤维的登场 在浩瀚的大自然中,存在许许多多碳和碳的化合物,在自然界中,不 含碳的物质仅仅只有5万种左右,而含碳的物质却占据了整个生物界。广 西壮族自治区的桂林,风景优美。这里有奇峰怪石,又有无数奇特的岩洞, 洞内有高大的石柱,生长着千奇百怪的石笋,悬空倒挂着石钟乳,琳琅满 目,景色奇异,使人惊叹不己。这些无限风光的自然景色,是由一种含碳 的化合物组成,这种化合物叫碳酸钙。空气中的二氧化碳,是元素碳与元 素氧的化合物。我们吃的食品如粮食、油料、肉类,用的衣料如棉、麻、 皮革,另外;还有各种燃料如煤、石油、天然气等,这些都是碳的化合物。<...
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第一章碳纤维的登场 在浩瀚的大自然中,存在许许多多碳和碳的化合物,在自然界中,不 含碳的物质仅仅只有5万种左右,而含碳的物质却占据了整个生物界。广 西壮族自治区的桂林,风景优美。这里有奇峰怪石,又有无数奇特的岩洞, 洞内有高大的石柱,生长着千奇百怪的石笋,悬空倒挂着石钟乳,琳琅满 目,景色奇异,使人惊叹不己。这些无限风光的自然景色,是由一种含碳 的化合物组成,这种化合物叫碳酸钙。空气中的二氧化碳,是元素碳与元 素氧的化合物。我们吃的食品如粮食、油料、肉类,用的衣料如棉、麻、 皮革,另外;还有各种燃料如煤、石油、天然气等,这些都是碳的化合物。
在整个地壳中,碳的分布很广泛,是一个十分丰富的元素,碳元素同工农 业生产和人类的生活都有着十分重要的关系。
碳纤维是指含碳量在90%以上的高强度、高模量、耐高温纤维。它 的直径只有6—8岬,是由许多微晶体堆砌而成的多晶体,微晶体的厚度 为4一101.~m,长度为10~251.tm,每个微晶体由约12—30个层面组成, 结构类似石墨,其轴向的强度和模量均比石墨高得多,而径向强度和模 量比石墨相对较低。碳纤维具极佳的耐热性和耐高温性(可耐2000℃高 温),热膨胀系数几乎为O。它的升华温度高达3650℃左右。但在空气 中当温度高于400℃时即发生明显的氧化。碳纤维还具有自润滑性,其 摩擦系数小,耐磨性能好,耐冲击性强。碳纤维的耐腐蚀性高于玻璃纤 维。在金属中加入碳纤维制成的复合材料,可极大地提高其耐磨性、抗 冲击性和耐疲劳性,而重量却轻得多。
碳纤维一般不单独使用,而是将其作为增强材料加入到树脂、金属 或陶瓷等基体中作为复合材料。其主要用途有: (1)在宇航方面它是制造宇宙飞船、航空飞行器、运载火箭等固体 发动机壳体、卫星壳体、卫星支架结构和连接支架等重要的结构材料。
(2)在航空方面碳纤维复合材料是高速飞机、直升机和大型客机的 骨架材料和结构材料,可用作飞机机舱地板、减速板、直升机桨叶、机 翼、刹车片等。
(3)在军事领域主要用作导弹和潜水艇的结构材料,及防雷达伪装 罩等。
(4)在交通运输方面,用作车身、车轮、卡车大梁、传动轴、减速 器、发动机和小船桅杆等骨架。
(5)在土木建筑方面,如超高层建筑,外墙掺人碳纤维的混凝土不 仅强度高、重量轻,而且防水、抗震能力强。桥墩、地下停车场、桥梁 等可用碳纤维做材料加固或修补。
第一节神奇的碳元素 一、开拓铁器时代 在北京郊区周口店洞穴中发现,和北京猿人骨化石一起有大量的炭 和灰烬,属更新世中期的地层,是大约40万年前的遗物。那时.人类好 像已经开始利用火,并且有了炉子。自然野火和山火出现的地方,可以 进一步追溯到更早的时代,这时我们会发现,人类一定是在大雨熄灭自 然野火的遗迹中,发现了燃剩的黑色残渣和炭,不久,人类懂得了用火 取暖和烧熟食物,并发现篝火和炉子周围有燃烧后生成的炭和烧剩的残 渣。也许人类就是从这些经验中发现了炭比木头更容易起火,而且不冒 烟这一非常优良的性质。大约在12000年前,人类知道了火能使黏土制 成的器具变硬,强度变大。这是陶器时代的开始。但是,对当时的人类 来说,炭不过是一种燃料而已。
公元前5000年至公元前4000年,人类在篝火遗迹中发现了金属铜。
在热的作用下矿石中的铜原子和氧原子结合减弱,这时候碳比铜更容易 和氧结合,在碳的作用下,氧被排出,剩下金属铜。这时,碳就不仅仅 是作为热源,而且还起着从铜矿石中分离氧的还原剂作用。此后,人类 又知道了要产生高温,炭比木头更有利。为了加快燃烧速度,进一步提 高温度,人类又发明了窑和风箱。而后,人类开始生产比铜还要硬的铁。
炼铁在欧洲大约是公元前3000年前,在中国是公元前2500年,在日本 则是弥生文后期的事情。把铁矿石和炭混合在一起,用风箱送风获得高 温,用炭还原,把氧和铁分离开来,这在当时是一件非常困难的作业, 古希腊时代,非洲人把黄金与铁以10:1的比例进行交换的传说,至今 仍在流传。
当人类懂得了铁具有优良的性质后,就努力改进炼铁方法。到14世 纪.出现了一种冶炼炉,也就是用耐火石筑成的炉中,将铁矿石和木炭 一层一层堆起来,点燃木炭,用风箱送风,得到的还原铁由于没有达到 足够高的温度,所以是一种被称之为“熟铁”的比较软的海绵铁。在这 里开始利用炭的新性质。将这种铁插进赤热的木炭中加热后,马上用锤 锻打,这样的操作要耐心地反复多次,碳渗入铁中后,铁就变得更加坚 硬,这种方法叫锤炼。
现在炼铁高炉的原型出现于15世纪中叶欧洲中部,从此以后,这种 高炉很快普及整个欧洲。在那时,风箱也由人力风箱变为以水车为动力 的风箱,这种风箱可以送人更强的风。尽管如此,当时炉子的高度最高 也不过4~5米。强风产生了更高的温度,制得的还原铁与低温时相比, 更活泼地吸收碳,使铁的熔点下降成为生铁,并以熔融状态积存炉底。
从而由过去那种每出一次铁块就要拆一次炉子的间歇生产方式转为连续 生产方式。不过,大量生产这种铁引起木炭供应紧张。由于公布了森林 禁伐令和限制使用木炭法,迫使很多高炉停止了生产。反过来考虑一下, 除了木炭产量难以确保以外,木炭本身的性质也有不能进行大量生产的 因素,这是由于木炭的强度太低。随着高炉的大型化,同铁矿石一起加 入的木炭承受各种物质的重量也随之增加,由于木炭被压碎,气体就难 以在高炉中流通了。
代之而登场的是当时作蒸汽机燃料使用的煤。但由于煤中含有大量 的硫使铁变脆,因此为了预先除去硫和挥发成分,要将煤进行干馏,这 样生产炼铁用焦炭,据说这种焦炭不易点燃,开始是和木炭屑、泥煤混 合使用的。P1-3
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