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介紹

由碳元素組成的一種特種纖維。具有耐高溫、抗摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性 外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨微晶結(jié)構(gòu)沿纖維軸擇優(yōu)取向，因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復(fù)合，制造***復(fù)合材料。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強度及比模量在現(xiàn)有工程材料中是的。

簡史

1879年愛迪生曾用纖維素纖維，如竹、亞麻或棉紗為原料，首先制得碳纖維并獲得***，但當(dāng)時制得的纖維力學(xué)性能很低，工藝也不能工業(yè)化，未能獲得發(fā)展。

20世紀(jì)50年代初，由于火箭、航天及航空等***技術(shù)的發(fā)展，迫切需要比強度、比模量高和耐高溫的新型材料，另外，采用前驅(qū)纖維為原料經(jīng)熱處理的工藝可制得碳纖維連續(xù)長絲，這一工藝奠定了碳纖維工業(yè)化的基礎(chǔ)。40多年來，碳纖維經(jīng)歷的重大技術(shù)進(jìn)展如下：

20世紀(jì)50年代初，美國Wright-Patterson空軍基地以黏膠纖維為原料，試制碳纖維成功，產(chǎn)品作火箭噴管和鼻錐的燒蝕材料，效果很好。1956年美國聯(lián)合碳化物公司試制高模量黏膠基碳纖維成功，商品名“Thornel—25”投放市場，同時開發(fā)了應(yīng)力石墨化的技術(shù)，提高碳纖維的強度與模量。

20世紀(jì)60年代初，日本進(jìn)藤昭男發(fā)明了以聚丙烯腈（PAN）纖維為原料制取碳纖維的方法，并取得了***。1963年日本碳公司及東海電極公司用進(jìn)藤的***開發(fā)聚丙烯腈基碳纖維。1965年日本碳公司工業(yè)化生產(chǎn)普通型聚丙烯腈基碳纖維成功。1964年英國皇家航空研究中心（RAE）通過在預(yù)氧化時加張力試制出高性能聚丙烯腈基碳纖維。由Courtaulds公司，Hercules公司和Rolls—Royce公司采用RAE的技術(shù)進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

1965年日本大谷杉郎首先制成了聚氯乙烯瀝青基碳纖維，并發(fā)表了先驅(qū)性的瀝青基碳纖維的研究報告。

1969年日本碳公司開發(fā)高性能聚丙烯腈基碳纖維獲得成功。1970年日本東麗（Toray Textile Inc.）公司依靠***的聚丙烯腈原絲技術(shù)，并與美國聯(lián)合碳化物公司交換碳化技術(shù)，開發(fā)高性能聚丙烯腈基碳纖維。1971年東麗公司將高性能聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)品（Torayca）投放市場。隨后產(chǎn)品的性能、品種、產(chǎn)量不斷發(fā)展，至今仍處于地位。此后，日本東邦、旭化成、三菱人造絲及住友公司等相繼投入聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)行列。（見聚丙烯腈基碳纖維）

1970年日本吳羽化學(xué)工業(yè)公司采用大谷杉郎的***，首先建成年產(chǎn)120t普通型（GPCF）瀝青基碳纖維的生產(chǎn)廠，1978年產(chǎn)量增到240t。該產(chǎn)品被用作水泥增強材料后，發(fā)現(xiàn)效果很好，1984年產(chǎn)量增至400t，1986年再次增加到900t。1976年美國聯(lián)合碳化物公司生產(chǎn)高性能中間相瀝青基碳纖維（HPCF）成功，年產(chǎn)量為113t，1982年增至230t，1985年增至311t。

1982年起，日本東麗、東邦、日本碳公司、美國Hercules、Celanese公司、英國Courtaulds公司等，先后生產(chǎn)出高強、超高強、高模量、超高模量、高強中模以及高強高模等類型高性能產(chǎn)品，碳纖維拉伸強度從3.5GPa提高到5.5GPa，小規(guī)模產(chǎn)品達(dá)7.0GPa。模量從230GPa提高到600GPa，這是碳纖維工藝技術(shù)的重大突破，使應(yīng)用開發(fā)進(jìn)入一個新的高水平階段。

1981年起瀝青科學(xué)取得重大進(jìn)展，開發(fā)出幾種調(diào)制中間相瀝青的新工藝，如日本九州工業(yè)試驗所的預(yù)中間相法，美國EXXON公司的新中間相法，日本群馬大學(xué)開發(fā)的潛在中間相法，促進(jìn)了高性能瀝青基碳纖維的開發(fā)。隨后日本三菱化成化學(xué)公司、大阪煤氣公司、新日鐵公司陸續(xù)建成一批不同規(guī)格的高性能碳纖維生產(chǎn)廠。其特點是模量增高的同時也增高強度。20世紀(jì)80年代是瀝青基碳纖維的興旺發(fā)展時期。

黏膠基碳纖維自20世紀(jì)60年代中期以后沒有發(fā)展，僅生產(chǎn)少量產(chǎn)品供***及特種部門使用。

工藝

編輯播報

現(xiàn)代碳纖維工業(yè)化的路線是前驅(qū)纖維炭化工藝法，所用3種原料纖維的組成、碳含量等見表。

制造碳纖維用的原纖維名 稱化學(xué)組分碳含量/%碳纖維收率/%黏膠纖維(C6H10O5)n4521～35聚丙烯腈纖維(C3H3N)n6840～55瀝青纖維C，H9580～90

采用這3種原纖維制造炭纖維的流程都包括：穩(wěn)定化處理（在200～400℃空氣，或用耐燃試劑等化學(xué)處理），碳化（400～1400℃，氮氣）和石墨化（1800℃以上，氬氣氣氛下）。為了提高炭纖維與復(fù)合材料基質(zhì)的粘接性能需進(jìn)行表面處理、上漿、干燥等工序。

另一種制造碳纖維的方法是氣相生長法。將甲烷與氫的混合氣體在催化劑的存在下，于1000℃高溫下反應(yīng)，可制得不連續(xù)的短切碳纖維，長度可達(dá)50cm。其結(jié)構(gòu)不同于聚丙烯腈基或瀝青基碳纖維，易石墨化，力學(xué)性能良好，導(dǎo)電性高，易形成層間化合物。（見氣相生長炭纖維）

分類及命名

現(xiàn)在碳纖維的主要產(chǎn)品有聚丙烯腈基，瀝青基及黏膠基3大類，每一類產(chǎn)品又因原纖維種類、工藝及最終碳纖維性能等不同，又分成許多品種�！疤祭w維”一詞實際上是多種碳纖維的總稱，因此分類及命名就十分重要。

20世紀(jì)70年代末期，國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）曾對炭纖維的分類和命名作了規(guī)定。首先用PAN（聚丙烯腈），MP（中間相瀝青）及VS（黏膠）表示碳纖維的類別，再以小寫英文字母表示熱處理溫度如lht（表示熱處理溫度，低于1400℃），hht（熱處理溫度在2000℃以上），然后再加上表示性能的符號（如HT表示高強、HM高模、SHT超高強、HTHS高強高應(yīng)變、IM中模及UHM超高模等）。同時指出，聚丙烯腈基，黏膠基及普通型瀝青基碳纖維均屬難石墨化的聚合物炭，而中間相瀝青基炭纖維及氣相生長的碳纖維是易石墨化碳。

在第三次國際碳纖維會議上（1985年，倫敦），曾建議按力學(xué)性能將碳纖維分成下列5級。

超高模量級（UHM）：模量在395GPa以上；

高模量級（HM）：模量在310～395GPa間；

中模量級（IM）：模量在255～310GPa間；

超高強度級（UHT）：強度在3.5GPa以上，

模量在255GPa以下；

高強度級（HT）：強度達(dá)3.5GPa。

這兩種分級法都有不足之處。現(xiàn)在高性能碳纖維產(chǎn)品分類由制造商自行標(biāo)明：原纖維種類、單絲孔數(shù)、直徑、排列方式（如平行、纏結(jié)、加捻等），有無表面處理（及其種類），有無上漿（及漿劑種類）等。一些重要的高性能商品名稱及性能，可見聚丙烯腈基炭纖維和瀝青基炭纖維。

發(fā)展展望

20世紀(jì)90年代初，高性能及超高性能炭纖維已問世，預(yù)料今后工作將致力于完善工藝、擴大生產(chǎn)、降低成本和開發(fā)應(yīng)用。一些特種碳纖維，如抗氧化碳纖維（以提高復(fù)合材料的使用溫度）、低纖度碳纖維（做0.035mm超薄型預(yù)浸帶用）、高導(dǎo)熱低電阻碳纖維（以滿足屏蔽電磁、射頻干擾用，并可散發(fā)多余的熱能）、低熱膨脹系數(shù)碳纖維（供衛(wèi)星天線系統(tǒng)、反射鏡等用），中空碳纖維（用于飛機制造工業(yè)，提高復(fù)合材料的沖擊韌性，核反應(yīng)堆中的高溫過濾介質(zhì)，分離生物分子血清和血漿用的介質(zhì)）和活性碳纖維，隨著科學(xué)及工程的發(fā)展會有很大發(fā)展。氣相生長碳纖維近期內(nèi)在穩(wěn)定工藝，連續(xù)化生產(chǎn)方面會有明顯進(jìn)展，工業(yè)化生產(chǎn)的日期預(yù)料不會太遠(yuǎn)。[3]