2026年中考化学复习教学素材：神奇的碳纤维

【教学素材】 神奇的碳纤维 湖北省石首市文峰初级中学 刘涛（正高级教师） 【背景资料】“碳纤维”是一种含碳量超过90%碳原子束构成的高强度纤维材料，通过环氧涂层处理和石墨压织工艺制成，碳纤维是有机纤维经碳化和石墨化处理而得到的微晶石墨材料，由片状石墨微晶沿纤维轴向堆砌而成，具有轻质、高强度、高模量、耐高温、耐冲击、耐化学腐蚀、膨胀系数低等特点。目前在量产超高性能纤维中比强度和比模量最高。在航天航空、轨道交通、船舶车辆以及新能源等多个领域等都发挥着重要的作用。 （1）极致轻量化：密度仅为钢的1/4、铝的3/5。 （2）超高强度与韧性：外观看起来像黑色的丝束，直径非常细，一根只有几微米，相当于头发丝的1/10。碳纤维直径只有5微米，高模量的碳纤维可以达到钢材抗拉强度的6倍以上，弹模量达到2倍。 （3）极端环境耐受性：惰性环境中耐温达2000℃，适用于高温工作条件下的应用。远高于钢铁（1500℃熔化）和玻璃（600℃软化）。 （4）抗化学腐蚀能力强：对化学腐蚀的抵抗性能较好，不易受酸、碱等腐蚀作用。 （5）和塑料的关系：通常需要和环氧树脂等基体结合，形成“碳纤维复合材料”。但碳纤维材料不会自然分解，如果在回收时采用高温焚烧方法处理，会释放有害物质，污染环境。 一、碳纤维的主要分类： （1）按原料：最常见的是聚丙烯腈（PAN）基，占市场90%以上，还有沥青基和粘胶基。 （2）按性能和用途：可分为工业级碳纤维和经更高温度石墨化处理的石墨纤维（M级碳纤维）。常用“T”系列表示强度（如T300、T700、T1100），数字越大强度越高；“M”系列表示模量（刚度）。截至2025年中旬，中国已突破T700级碳纤维量产技术，并在大丝束领域实现规模化生产。 （3）按丝束：分为小丝束（如1K、3K，用于高端航空）和大丝束（如48K、60K，用于工业风电）。 二、碳纤维的应用领域： （1）高端装备与交通： ①航空航天：国产大飞机C919、卫星结构件、火箭外壳都大量使用，能显著减重。 ②轨道交通：部分地铁列车车体采用碳纤维复合材料，整车可减重13%以上。 ③汽车：新能源汽车电池箱体、车身部件，以及高端跑车的结构件。 （2）体育与休闲：这是碳纤维消耗量很大的领域，约占全球总量的40%。常见产品包括钓鱼竿、高尔夫球杆、羽毛球拍、自行车车架、滑雪板等。 （3）能源与工业： ①风电：大型风力发电机叶片（如131米长叶片）使用碳纤维主梁，能减重30%以上。 ②建筑：用于桥梁、建筑结构的加固和补强。 （4）采暖与电子： ①电地暖：碳纤维发热线缆、电热片因高热转换率和耐氧化特性，已用于采暖产品。 ②电子：手机、电脑等3C产品的精密结构件也在逐步应用。 【情景创设】阅读下列科普短文，回答问题。 “黑色黄金”——碳纤维 2026年3月11日，我国自主研发的SYT80（T1200级）超高强度碳纤维全球首发，标志着我国在该领域实现重大跨越。碳纤维被称为“黑色黄金”。 碳纤维是一种含碳量在90%以上的碳材料，由不同原料经聚合、纺丝、氧化、高温碳化而成，其化学性质与碳相似。碳纤维复合材料具有低密度、高强度、耐高温、高化学稳定性、抗腐蚀、耐摩擦等优异的物理及化学性能，被广泛应用于航空航天、轨道交通、车辆制造、体育用品等领域。图1为国产碳纤维复合材料在翼型风帆上的应用。 碳纤维可谓“刚柔并济”：它细如发丝，却比钢还硬；密度只有钢材的四分之一，却能承受巨大的拉力；它耐腐蚀性很强。凭借这些优异性能，碳纤维广泛应用于航空航天、低空经济、人形机器人等领域。为制备高强度碳纤维，须将原丝进行预氧化处理，使其在后续高温碳化时不熔融、不变形。测得碳纤维在不同碳化温度下的拉伸强度如图2。 （图2） （1）碳纤维（简称CF），是一种以新的形态存在的碳单质，具有强度高（是钢硬度4倍）、密度小（只有钢的1/4）、熔点高，因此被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法中不正确的是 （填写字母序号） A．碳纤维的结构与石墨相似 B．碳纤维的主要组成元素是碳元素 C．碳纤维是制造飞机的理想材料 D．在常温下，碳纤维的化学稳定性好 （2）碳纤维的制造经历“氧化”、“高温碳化”，这两个环节主要发生 （填“物理”或“化学”）变化。 （3）翼型风帆为远洋船舶提供辅助动力，减少船舶的燃油消耗。碳纤维复合材料属于 （填“混合物”或“纯净物”）。翼型风帆选用碳纤维复合材料的优点是 （填字母序号）。 a．密度小 b．硬度小 c．耐腐蚀 d．强度高 （4）根据图2，碳化温度在 （填“＞”或“＜”）1370℃时，碳纤维拉伸强度随碳化温度的增大而减小。 （5）为了提高碳纤维的强度，必须选择适当的预氧化条件。将碳纤维进行预氧化处理，测得碳纤维强度与热处理温度的关系如图所示。由图3可知，碳纤维强度与热处理温度的关系是 。 （图3） （6）环氧树脂与碳纤维结合而成的复合材料，常用作航空航天领域的原因是 。 参考答案 （1）A；（2）化学；（3）混合物；acd；（4）＞；（5）在215～240℃的温度范围内，随着热处理温度升高碳纤维强度先增大后减小；（6）刚性好。密度小等。 学科网（北京）股份有限公司 $