碳纖維

碳纖維（Carbon   fiber）碳含量高于90，是由含碳原料在特定條件下高溫碳化而得%一種高分子纖維材料。碳纖維是一種新型非金屬材料，由片狀石墨微晶沿纖維軸向堆積而成，經(jīng)碳化和石墨化而成。碳纖維及其復(fù)合材料比強(qiáng)度和比模量高，碳纖維比重小、耐化學(xué)腐蝕、耐熱、抗熱震性和耐燒蝕性。

早在1850年，英國科學(xué)家斯旺就試用了碳絲。然而，碳纖維作為一種材料可以追溯到1880年美國發(fā)明家愛迪生將棉花和竹纖維碳化，用作白熾燈絲。20世紀(jì)70年代初，美國、英國、日本等相當(dāng)一部分公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了聚丙烯腈基碳纖維的工業(yè)化生產(chǎn)。迄今為止，碳纖維或碳纖維增強(qiáng)塑料、玻璃、陶瓷和金屬已被用于化學(xué)工業(yè)、機(jī)電、造船、飛機(jī)制造等工業(yè)部門應(yīng)用廣泛，而碳纖維也有進(jìn)一步發(fā)展的空間、人造衛(wèi)星、用于火箭導(dǎo)彈和原子能等工業(yè)的新材料。

碳纖維的主要原料是聚丙烯腈、瀝青、黏膠、木質(zhì)素、酚醛等有機(jī)纖維等。根據(jù)采用的原料和制作工藝、原絲類型、機(jī)械性能等，按原絲類型碳纖維大致可分為聚丙烯腈基（PAN）碳纖維、瀝青基（Pitch）碳纖維、粘膠基碳纖維和其他纖維基碳纖維。

原料

碳纖維的主要原料是聚丙烯腈、瀝青、黏膠、木質(zhì)素、酚醛和其他有機(jī)纖維目前碳纖維的工業(yè)化產(chǎn)品主要是聚丙烯腈（PAN）基碳纖維和瀝青（Pitch）碳纖維有兩種，聚丙烯腈基碳纖維是最大的一種。

工藝

碳纖維制造過程的主要步驟分為穩(wěn)定化處理（也稱為非熔化處理或預(yù)氧化處理）碳化熱處理石墨化熱處理。穩(wěn)定化熱處理是使原絲不溶解，以防止其在隨后的高溫處理中熔化或粘結(jié)；碳化熱處理通過高溫去除原絲中一半以上的非碳元素；石墨化熱處理通過在較高溫度下加熱將碳轉(zhuǎn)變?yōu)槭Y(jié)構(gòu)，從而改善碳化熱處理中獲得的碳纖維的性能。

具體工藝主要包括旋壓、穩(wěn)定化、炭化、表面處理、上漿等。紡絲是將前驅(qū)體與其他材料混合后紡成纖維，然后將這些纖維進(jìn)行洗滌和拉伸；穩(wěn)定化是指碳纖維在碳化前的化學(xué)變化，通過將其線性原子鍵轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪捂I，使其具有更高的熱穩(wěn)定性纖維在空氣中加熱到200～300℃，持續(xù)約30分鐘～2小時(shí)。碳化是將纖維在無氧條件下加熱至1000 ~ 3000°C數(shù)分鐘后達(dá)到熱穩(wěn)定氧氣的缺乏阻止了纖維在高溫下燃燒，在高溫下，纖維釋放出其非碳原子，而剩余的碳原子形成緊密結(jié)合的碳晶體，這些碳晶體平行于碳纖維的長軸排列。表面處理是使碳化后的纖維具有光滑的表面，該表面不能很好地與用于制造復(fù)合材料產(chǎn)品的環(huán)氧樹脂和其他材料粘合。所以表面輕微氧化。氧化使表面具有更好的化學(xué)鍵合特性，同時(shí)，它還蝕刻表面以使化學(xué)物質(zhì)更好地附著在表面上。上漿是為了包裹纖維，以防止纖維在纏繞在線軸上或織成織物時(shí)受到損傷。上漿涂層材料可包括聚酯尼龍聚氨酯或環(huán)氧樹脂。

典型碳纖維的制備

聚丙烯腈（PAN）基碳纖維

目前以聚丙烯腈為原料生產(chǎn)的碳纖維產(chǎn)量最高、品種最多、發(fā)展速度最快、采用最成熟的技術(shù)，生產(chǎn)主要包括兩個(gè)過程前驅(qū)體生產(chǎn)和前驅(qū)體碳化。前驅(qū)體生產(chǎn)主要包括聚合、脫泡、計(jì)量、噴絲、牽引、水洗、上油、烘干收絲等工序；碳化過程主要包括紡絲、預(yù)氧化（220~280℃）低溫碳化（300~1000℃）高溫碳化（1000~1800℃）表面處理、上漿烘干、收絲卷繞等工序。在不同的高溫碳化溫度下可以生產(chǎn)不同強(qiáng)度等級(jí)的碳纖維，例如在1200~1250℃的高溫碳化溫度下可以生產(chǎn)普通碳纖維；高溫碳化溫度約1600℃，車身采用高強(qiáng)度中檔碳纖維包裹；在氬氣中進(jìn)一步石墨化，熱處理溫度為2000~3000℃，使碳纖維由無定形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)、將無序石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿皇Y(jié)構(gòu)，可獲得高模量石墨纖維或高強(qiáng)度高模量高性能碳纖維。

瀝青（Pitch）基碳纖維

瀝青生產(chǎn)碳纖維的主要原料是石油瀝青和煤焦油瀝青。原料資源豐富、成本最低。用溶劑提取原料瀝青、沉降分離、蒸餾等過程進(jìn)行精制，精制后的瀝青進(jìn)行氧化熱聚合改性在較高溫度下，多組分瀝青中的分子在體系受熱時(shí)發(fā)生熱分解和熱縮聚反應(yīng)，產(chǎn)生的小分子以氣態(tài)形式排出，進(jìn)行氧化熱縮聚，形成分子量分布合理的各向同性可紡瀝青?？杉彏r青經(jīng)紡絲得到瀝青生絲，不熔化（在200~400℃穩(wěn)定）處理（氧化、交聯(lián)、環(huán)化）保持其纖維形狀，然后碳化（在600~1500℃的氮?dú)獗Ｗo(hù)下）充分去除其中的非碳原子，使其最終發(fā)展成為碳元素的固有特性，獲得瀝青基碳纖維。

碳纖維結(jié)構(gòu)包括物理學(xué)、化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)，物理結(jié)構(gòu)包括表面形態(tài)、分布等。化學(xué)結(jié)構(gòu)包括化學(xué)成分、主要基團(tuán)種類、含量原料和制備方法不同，生成的結(jié)構(gòu)也不同。在纖維碳化過程中，纖維分子中的非碳原子是HCN等揮發(fā)物、NH3、CO2、CO、H2O、N2被除去，纖維經(jīng)歷熱解反應(yīng)和分子間交聯(lián)反應(yīng)隨著碳含量的增加，纖維的分子結(jié)構(gòu)逐漸變成類似石墨的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

碳纖維

碳纖維的基本結(jié)構(gòu)單元是六邊形網(wǎng)狀平面，其結(jié)構(gòu)缺陷、它的大小和方向決定了它的性能。碳纖維的理想結(jié)構(gòu)由一個(gè)完整的六邊形網(wǎng)狀平面組成這種碳纖維的理論拉伸模量應(yīng)為1020GPa，理論拉伸強(qiáng)度為180GPa。碳纖維的實(shí)際拉伸模量和強(qiáng)度達(dá)不到理論值，說明碳纖維結(jié)構(gòu)模型不是理想結(jié)構(gòu)。

事實(shí)上，碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似于人造石墨，是一種無序的石墨結(jié)構(gòu)。二維有序，三維無序。最基本的結(jié)構(gòu)單元是石墨薄片，二級(jí)結(jié)構(gòu)單元室是石墨微晶（由幾個(gè)或幾十個(gè)石墨片組成）三維結(jié)構(gòu)晶胞中由石墨微晶組成的原纖直徑約為50納米，碳纖維的層間間距約為3.39?到3.42平行層之間碳原子的排列不像石墨那樣規(guī)則，各層之間是通過范德華力連接在一起的。通常，碳纖維的結(jié)構(gòu)也被視為由二維有序晶體和空穴組成，其中空穴的含量、尺寸和分布對碳纖維的性能有很大影響。

碳纖維的另一個(gè)結(jié)構(gòu)特征是存在15%~20%孔隙和微孔長且平行于纖維軸，直徑為1 ~ 2納米，長度至少為20 ~ 30納米孔隙的存在和螺旋層中碳層之間的分離使纖維密度小于石墨的理論密度。纖維結(jié)構(gòu)顯示碳纖維具有細(xì)纖維的分支結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)單元室寬6nm、長度為幾千納米，幾個(gè)帶結(jié)合在一起形成粘合的微纖維，微纖維的取向與纖維軸高度平行。

碳纖維的石墨結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性，六方碳網(wǎng)絡(luò)在平面內(nèi)共價(jià)鍵強(qiáng)，層間范德華力弱，因此其力學(xué)性能具有明顯的各向異性。

物理性能

碳纖維的物理性能反映在它的低密度上（1.5~2.0g/cm3）質(zhì)量輕、相當(dāng)于1的鋼的密度/4、鋁合金密度的1/2。它具有各向異性，熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率隨溫度的升高而降低，并且耐突然冷卻和快速加熱。導(dǎo)電性能良好，25℃時(shí)高模量纖維的電阻率為7.75x10-2Ω·高強(qiáng)度纖維的電阻率為1.5x10-1Ω·m。這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和比模量。同鈦、鋼、與鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有很大的強(qiáng)度、模量高、密度低、線膨脹系數(shù)小等。

碳纖維不接觸空氣和氧化劑，能承受3000℃以上的高溫，耐熱性突出與其他材料相比，碳纖維的強(qiáng)度在溫度高于1500℃時(shí)開始下降，溫度越高，纖維強(qiáng)度越大。碳纖維的徑向強(qiáng)度不如軸向強(qiáng)度，所以碳纖維要避免徑向強(qiáng)度（即不能打結(jié)）此外，碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下不脆化。

力學(xué)性能

碳纖維強(qiáng)度、彈性模量高，強(qiáng)度是鋼的45倍，彈性回復(fù)率為100%可加工性好，碳纖維及其織物輕便柔韌，能適應(yīng)不同的構(gòu)件形狀，成型方便，可根據(jù)受力要求粘貼數(shù)層，施工中不需要大型設(shè)備或臨時(shí)固定，對原有結(jié)構(gòu)不造成破壞。碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能更加優(yōu)異碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度一般在3500MPa以上，是鋼的7~9倍拉伸彈性模量為23000～43000兆帕，比強(qiáng)度、比模量的綜合力學(xué)性能是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中最高的。碳纖維楊氏模量（表示材料在彈性極限內(nèi)的抗拉或抗壓強(qiáng)度的物理量）是玻璃纖維的三倍多。碳纖維還具有出色的細(xì)度（細(xì)度的表征之一是9000米長纖維的克數(shù)）一般只有19克左右，拉力高達(dá)每微米300公斤幾乎沒有其他材料像碳纖維一樣具有如此多的優(yōu)異性能。

化學(xué)性能

碳纖維化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐高低溫性能好，在非氧化環(huán)境中3000℃不熔化、不軟化，在液氮溫度下仍然非常柔軟和脆化，在600℃下具有相同的性能-180℃時(shí)具有良好的柔韌性。良好的耐酸性，對酸呈惰性，耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。具有良好的耐腐蝕性、輻射性能。碳纖維還有耐油、抗放射、吸收有毒氣體并減緩中子速度。

碳纖維的主要用途是與樹脂結(jié)合、金屬、陶瓷和其他基材復(fù)合制成結(jié)構(gòu)材料碳纖維及其應(yīng)用產(chǎn)品具有良好的綜合性能，在大多數(shù)應(yīng)用條件下可以替代鋼材、鋁作為一種結(jié)構(gòu)材料，具有巨大的應(yīng)用潛力、成長性高。航空航天中的碳纖維復(fù)合材料、國防軍工、交通運(yùn)輸、土木建筑、體育休閑、清潔能源、電子信息等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。工程加固中的高性能碳纖維、飛機(jī)和汽車剎車片、汽車和其他機(jī)械零件、電子設(shè)備殼、集裝箱、醫(yī)療器械、深海勘探和新能源開發(fā)具有良好的應(yīng)用前景。

碳纖維織物

碳纖維是通過各種編織工藝和設(shè)備制成二維的、三維和多維中間預(yù)制件用于制造不同類型和用途的復(fù)合材料。紡織織造技術(shù)主要是有機(jī)織造、編織、非織造、針織和縫織。最常用的機(jī)織物是平紋織物和斜紋織物。機(jī)織物是二維或三維編織的中間預(yù)制件，可以是繩子、帶、管和各種異形織物等。

航空航天領(lǐng)域

在航空航天領(lǐng)域，美國的三叉戟——2導(dǎo)彈、侏儒導(dǎo)彈和大力神—4采用高強(qiáng)度中模量碳纖維復(fù)合材料。中國 美國第一顆實(shí)用通信衛(wèi)星使用了碳纖維/環(huán)氧復(fù)合拋物面天線系統(tǒng)，首顆太陽同步軌道風(fēng)云一號(hào)氣象衛(wèi)星采用了多折疊碳纖維復(fù)合剛性太陽能電池陣列結(jié)構(gòu)。碳纖維復(fù)合材料也可用于制造航天飛機(jī)機(jī)翼、火箭噴焰口、戰(zhàn)略導(dǎo)彈的最后助推器等。

在民用航空領(lǐng)域，如波音767和空客A310，碳纖維復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的3%~5%A380大約使用了30~35t的先進(jìn)纖維復(fù)合材料，主要是碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料?？湛虯380和波音787使用的碳纖維復(fù)合材料數(shù)量已占總結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%碳纖維復(fù)合材料已逐漸成為制造大型飛機(jī)的主要材料。

軍工領(lǐng)域

碳纖維復(fù)合材料，尤其是碳纖維結(jié)構(gòu)吸波材料，具有承載和減小雷達(dá)波反射截面的雙重功能，既能減輕重量，又能提高有效載荷，廣泛應(yīng)用于隱身飛機(jī)和隱身武器。碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的吸波性能，可以使頻率為零.1MHz~50GHz的模擬被大大衰減，并已用于先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼。

交通運(yùn)輸領(lǐng)域

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用主要包括汽車骨架、螺旋槳芯軸、輪轂、緩沖器、彈簧片、引擎零件、船舶等的加固材料。特別是在汽車上，有很大的應(yīng)用潛力。福特曾經(jīng)把尸體、車架和其他部件采用碳纖維復(fù)合材料，整車重量減輕了33%同時(shí)，振動(dòng)和噪音也大大降低。日本使用約0.16t碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制造了一輛電動(dòng)概念車，總質(zhì)量僅為846千克。蘭博基尼使用碳纖維復(fù)合材料制造自行車，質(zhì)量僅為8.5公斤，抗沖擊能力強(qiáng)。

體育器械領(lǐng)域

碳纖維復(fù)合材料廣泛用于運(yùn)動(dòng)器材，如高爾夫球桿、棒球棒、滑雪板、網(wǎng)球拍、魚竿等由碳纖維復(fù)合材料制成的球拍重量更輕，手感和硬度更好，吸收振動(dòng)和沖擊更好，使用壽命更長。碳纖維復(fù)合材料還廣泛用于運(yùn)動(dòng)和休閑自行車部件。

其他領(lǐng)域

碳纖維復(fù)合材料仍在武器工業(yè)中使用、它廣泛應(yīng)用于化學(xué)工程和機(jī)械工程。碳纖維與塑料、樹脂結(jié)合形成的復(fù)合材料應(yīng)用于電磁屏蔽材料時(shí)，是一種結(jié)構(gòu)和功能一體化的理想殼體材料。碳纖維還用于工業(yè)和民用建筑、鐵路、公路、橋梁、隧道、煙囪、塔式結(jié)構(gòu)的鋼筋密度低、強(qiáng)度高、耐久性好、應(yīng)變能力強(qiáng)、耐腐蝕性和耐酸性強(qiáng)、堿等化學(xué)物質(zhì)的腐蝕， 具有良好的柔韌性。由碳纖維管 制成的桁架屋頂比鋼輕50%大約， 使大型結(jié)構(gòu)達(dá)到實(shí)用水平，施工效率和抗震性能大大提高用 碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，不需要用螺栓和鉚釘固定，對原混凝土結(jié)構(gòu)擾動(dòng)小，施工工藝簡單。