碳纤维的性能与加工资料

碳纤维的性能与加工

【摘要】

文章介绍了碳纤维的概念、发展与现状、分类，以及碳纤维的性能与加工方法，还有碳纤维的应用。

【关键词】

碳纤维分类性能电化学改性干湿法射频法加工过程应用

【正文】

第一节碳纤维概述

1.碳纤维的概念

碳纤维，英文为Carbon Fiber，简称CF。碳纤维是指由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，是纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。

2．碳纤维的结构

碳纤维的分子结构介于石墨与金刚石之间。目前公认的碳纤维结构是由沿纤维轴高度取向的二维乱层石墨组成。微晶的形状、大小、取向以及排列方式与纤维的制备工艺相关。

2.1 结构单元

石墨：六方晶系

碳纤维：乱层石墨结构

最基本的结构单元：石墨片层

二级结构单元：石墨微晶(由数张或数十张石墨片层组成)

三级结构单元：石墨微晶组成的原纤维。直径在50nm左右，弯曲，彼

此交叉的许多条带状组成的结构

2.2 皮芯层结构

CF由皮层、芯层及中间过渡区组成。

皮层：微晶较大，排列有序。

芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。

3．碳纤维的缺陷

3.1 来源

碳纤维中的缺陷主要来自两方面：原丝带来的缺陷与碳化过程带来的缺陷。原丝带来的缺陷在碳化过程中可能消失小部分，但大部分将保留下来，变成碳纤维的缺陷。而碳化过程带来的缺陷则在碳化过程中，大量非C元素以气体形式逸出，使纤维表面及内部形成空穴和缺陷。

3.2 CF中缺陷的观察研究手段：

扫描电镜(SEM)：研究纤维表面缺陷

透射电镜(TEM)：研究纤维内部结构

第二节碳纤维的现状及发展

1．碳纤维的发展简史

1860年，斯旺制作碳丝灯泡。

1878年，斯旺以棉纱试制碳丝。

1879年，爱迪生以油烟与焦油、棉纱和竹丝试制碳丝（持续照明45小时）。1882年，碳丝电灯实用化1911年，钨丝电灯实用化。

1950年，美国Ｗright--Patterson空军基地开始研制黏胶基碳纤维。

1959年，美国ＵＣＣ公司生产低模量黏胶基碳纤维“Ｔhornel—25”，日本大阪工业试验所的进藤昭男发明了ＰＡＮ基碳纤维。

1962年，日本碳公司开始生产低模量ＰＡＮ基碳纤维（0.5吨/月）。

1963年，英国皇家航空研究所（ＲＡＥ）的瓦特和约翰逊成功地打通了制造高性能ＰＡＮ基碳纤维（在热处理时施加张力）的技术途径。

1964年，英国Ｃourtaulds,Morganite和Roii--Roys公司利用ＲＡＥ技术生产ＰＡＮ基碳纤维。

1965年，日本群马大学的大谷杉郎发明了沥青基碳纤维美国ＵＣＣ公司开始生产高模量黏胶基碳纤维（石墨化过程中牵伸）。

1970年，日本吴羽化学公司生产沥青基碳纤维（１０吨/月），日本东丽公司与美国ＵＣＣ进行技术合作。

1971年，日本东丽公司工业规模生产PAN基碳纤维（1吨/月），碳纤维的牌号为T300，石墨纤维为M40。

1972年，美国Hercules公司开始生产PAN基碳纤维日本用碳纤维制造钓竿，美国用碳纤维制造高尔夫球棒。

1973年，日本东邦人造丝公司开始生产PAN基碳纤维（0.5吨/月）日本东丽公司扩产5吨/月。

1974年,碳纤维钓竿、高尔夫球棒迅速发展日本东丽公司扩产13吨/月。

1975年,碳纤维网球拍商品化美国UCC公司公布利用中间相沥青制造高模量沥青基碳纤维“Thornel—P”美国UCC的高性能沥青基碳纤维商品化。

1976年,东邦人造丝公司与美国塞兰尼斯进行技术合作住友化学与美国赫格里斯（Hercules）成立联合公司。

1979年,日本碳公司与旭化成工业公司成立旭日碳纤维公司。

1980年,美国波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维。

1981年,台湾台塑设立碳纤研究中心，日本三菱人造丝公司与美国Hitco公司进行技术合作。

1984年,台湾台塑与美国Hitco公司进行技术合作，日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T800。

1986年,日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T1000。

1989年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维M60。

1992年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维M70J,杨氏摸量高达690GPa。

2．世界碳纤维产业现状及我国碳纤维产业发展

2.1 世界碳纤维产业现状

国际上碳纤维的研制开发源于 60 年代初 ,到进入工业化生产 ,经历了大约十年时间。碳纤维的主要生产国是日本和美国 ,主要消耗的国家和地区则依次为美国、日本和西欧。日本的碳纤维产量约占世界总产量的一半;但其消耗量仅占四分之一 ,美国的碳纤维产量虽然只占世界总产量的40%; 但其消耗量却占世界总消耗量的一半左右。全球碳纤维生产量最大的两家公司均在日本,其中东丽公司( Toray)于 1970 年投产;1989 年的生产能力已达到 2250 吨。1975 年投产的东邦人造丝公司( TohoBeslon ) ,1988 年的产量为 1420 吨 ,1990 年的产量则达到 2020 吨。这两家公司还在美欧等地建有多家生产厂。

2.2 我国碳纤维产业发展

以聚丙烯腈为原丝的碳纤维已广泛应用于航空航天、体育用品及其它工业领域。我国自上世纪60年代开始研制碳纤维以来。已形成了以江苏、吉林、山东和山西等的几块生产基地，产业化企业达10多家。近几年，我国碳纤维行业产能有了较大增长，但实际产量仍很低，质量水平和稳定性同国外产品相比还存在很大差距，尤其是原丝的质量和数量还无法满足碳纤维生产的要求。我国每年仍需从国外进口大量的碳纤维。

我国从上世纪60年代后期开始研制碳纤维，至今已有近40年的历史。到目前为止，工艺路线以一步法为主，纺丝方法除湿法外，也有干湿法，见表l。

我国碳纤维工业的今后发展，应从以下几方面做好工作：1．坚持自主创新发展碳纤维；2．加强“产、学、研”共同开发；3．发挥传统化纤强势企业在碳纤维国产化进程中的作用；4．借助国产腈纶技术基础实现技术多元化；5．碳纤维开发应循序渐进；6．建立适合我国市场特点的技术和产品体系；7．重视碳纤维深加工和碳纤维复合材料制品的开发。

第三节碳纤维的分类

按照不同的标准，可以将碳纤维分为不同的种类。

1．按力学性能分类

通用级CF：拉伸强度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa

高性能CF：

高强度CF （HS）

高模量CF （HM）

超高强CF （UHS ）

超高模CF （UHM ）

高强－高模CF

中强－中模CF 等

2．按原材料分类

聚丙烯腈（PAN ）碳纤维

沥青碳纤维

粘胶碳纤维等

3．按功能分类

受力结构用CF

耐焰用CF

导电用CF

润滑用CF

耐磨用CF

活性CF 等

4．按制造条件和方法分类

碳纤维：碳化温度1200～1500oC ，碳含量95％以上

石墨纤维：石墨化温度2000oC 以上，碳含量99％以上

活性碳纤维：气体活化法，CF 在600～1200oC ，用水蒸汽、CO2、空气等活

化

气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有机物在高温下沉积成纤维－晶须

或短纤维

第四节 碳纤维的性能

1．碳纤维的物理性能

1.1 模量 ： 模量E 与取向度有关。提高张力，取向度提高，则 E 提高。

强度 ： 强度σ与温度和张力有关。温度T 升高，同时提高张力（牵伸率），

可以提高碳纤维的强度。 1

0)1(--=αE E 1

])1[(--=d K ασ

其中：α：纤维轴向取向度

E0：材料固有的弹性模量

K：碳化的反应速率常数，是温度的函数。

T升高→K升高，反应速度提高。

表3 几种纤维的应力－应变曲线比较图

1.2 碳纤维的热性能

热导率：

碳纤维主要是靠格波传热。格波是量子化的，其量子叫做声子( Phone)；热导率的大小与声子的平均自由行程有关 ,而平均自由行程与石墨层面 La 相关。实验表明 ,La 愈大 ,热导率λ也愈大。对于PAN 基碳纤维 T300 ,热导率约为615W/ m ·k，T800 为 26W/ m ·k ,M40 为 85W/ m ·k ；对于中间相沥青基碳纤维 P2120，热导率约是铜(398W/ mk)的 116倍，是铝(237W/ m·k)的 217 倍。

热导率具有方向性平行于纤维方向： 16.74 W/(m·K)；垂直于纤维方向：0.837 W/(m·K)

温度升高，热导率下降。

热膨胀系数：

CF的热膨胀系数具有各向异性的特点：平行于纤维方向为负值；垂直于纤维方向为正值。

热辐射：

碳纤维通电后电热效率的能量平衡如下：

式中,W：电功率；TS：束丝表面温度； D：束丝直径;；TA ：周围环境温度；L ：束丝长度； H：对流传热系数；σ：斯蒂芬-玻尔兹曼常数(56.7nW/ m2·K4) 。

在高温区 ,以辐射传热为主 ,上式可简化为: 。

如果环境温度 TA 、束丝直径 D 和束丝长度 L为一定值时 ,则上式可写为: 。

辐射功率密度 Wb 与束丝表面温度 T ( Ts)成四次方关系。这就是著名的斯蒂芬 - 玻耳兹曼四次方定律。辐射波长λ max与温度 T有以下关系,即λmax ·T = 2897

这就是著名的维恩 - 葛利琴位移定律。温度愈高,热辐射波长愈短。热辐射能的载体仍是电磁波 ,波长为 018～40μm 范围内的红外区;其中 ,90 %的热辐射波长在 215～13μm 范围内 ,电热转换效率在90 %以上 ,节能效果十分显著。

1.3 碳纤维的电性能

电阻率：碳纤维的电阻率 Sb 可用下式计算：

其中：S b ：碳纤维的体电阻率(Ω· cm)

Rb ：试样长L 的电阻(Ω) ;

L：测电阻时的试样长度(cm)

t：试样的纤度( tex)

ρ：试样的体密度(g/ cm3)

碳纤维的体电阻率 Sb 除与测试长度 L 及其电阻有关外 ,还与纤度和体密度有关。表4列出 PAN基碳纤维电阻率与 K数、测试长度的关系。表5列出碳纤维 T300 的 K数与纤度的关系。所以 ,根据设计要求,可选择不同类型、不同 K数和不同长度的碳纤维作为电热源 ,满足不同需求。

1.4 密度

在1.5~2.0g/cm3之间，密度与原丝结构、碳化温度有关。

1.5 碳纤维的物理性能总结

优点：

1）密度小，质量轻，比强度高。碳纤维的密度为 1.5~2g/cm3，相当于钢密度的1/4，铝合金密度的1/2。而其比强度比刚大16倍，比铝合金大12倍。

2）强度高。其拉伸强度可达3000~4000MPa，弹性比钢大4~5倍，比铝大6~7倍。

3）弹性模量高。

4）具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度的升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂。

5）导电性好，25℃时高模量纤维为775μΩ/cm，高强度纤维为1500μΩ/cm。

6）耐高温和耐低温性好。碳纤维可在2000℃下使用，在3000℃非氧化气氛下不融化、不软化。在-180℃低温下，钢铁变得比玻璃脆，而碳纤维依旧很柔软，也不脆化。

缺点：耐冲击性较差，容易损伤。

2．碳纤维的化学性能

优点：

1）耐酸性能好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为50%的盐酸、硫酸、磷酸中，200天后其弹性模量、强度和直径基本没有变化；在50%浓度的硝酸中只是稍有膨胀，其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。

2）此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。

缺点：

在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。

3．碳纤维的改性

碳纤维表面改性处理方法很多，如空气或臭氧氧化处理、液相氧化、电化学改性处理、γ射线辐照接枝、等离子体处理、气相沉积处理、硅氧烷等偶联剂涂层等，其中电化学改性处理过程缓和，反应易于控制，操作弹性大，适于在线配套使用。

电化学改性处理法又称阳极电解氧化法，是以碳纤维作为阳极，石墨板、铜板或镍板作为阴极，以不同的酸碱盐溶液为电解液，在直流电场作用下对纤维表面进行改性处理，适当增大纤维表面极性和粗糙度，从而达到改善复合材料界面性能的目的。表6为电化学改性处理试验装置示意图。该法操作简单，效果显著，受到人们的普遍关注。

第五节碳纤维的加工

1．原丝的选择条件：

强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。加热时不熔融，可牵伸，且CF产率高。

常用的CF原丝：聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维。

2．碳纤维的加工方法

碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在350℃以上的高温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在3800K 以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，采用间接方法来制造。

通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体原丝一预氧化丝一碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN) 纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法(干法和湿法纺丝)。

2.1 干喷湿纺法

干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条。纺出的纤维体密度较高，表面平滑无沟槽，且可实现速纺丝，用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。干喷湿纺装置常为立式喷丝机，从喷丝板喷出的纺丝液细流经空气段(干段) 后进入凝固浴，完成干喷湿纺过程；再经导向辊、离浴辊引m的丝条经后处理得到 P A N纤维。

离开喷丝板后的纺丝液细流先经过空气层(干段再进入凝固浴，干段很短，但对凝固相分离和成纤结构有着重大影响。在空气层挤出的纺丝液细流中的溶剂急速蒸发，表面形成了薄薄致密层，细流进入凝固浴后可抑制双扩散速度；由于在喷丝板出口处产生膨胀效应，靠细流自身的重力以及

牵伸力向下流动，然后经干喷湿纺的正牵伸可使胀大部分被牵伸变细后进入凝固浴；凝固浴采用低溶剂质量分数配比和低温凝固，低溶剂质量分数配比可加大溶剂与细流之间的质量分数差，加速扩散；低温可抑制扩散速度，利于沉淀结构致密化、均质化，最终纺出的原丝和所制碳纤维表面较平滑而无沟槽。与纯湿纺相比，干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮芯结构的原丝，大幅提高了纤维的抗拉强度，可生产细特化和均质化的高性能碳纤维。

2.2 射频法

PAN原丝经过预氧化(200～350℃，射频负压软等离子法)、碳化(800～1200℃，微波加热法)到石墨化(2400~ 2600℃，射频加热法)，主要受到牵伸状态下的温度控制。在这一形成过程中达到纤维定型、碳元素富集，分子结构从聚丙烯腈高分子结构一乱层的石墨结构一三维有序的石墨结构。国内有自主知识产权的“射频法碳纤维石墨化生工艺”开辟了碳纤维生产的创新之路，它采用射频负压软等离子法预氧化 PAN原丝，接着用微波加热法碳化，最后用射频加热法石墨化形成小丝束碳纤维。

2.2.1 射频负压软等离子法预氧化

PAN原丝预氧化是一个氧化、脱氢、脱氮和环化的过程，达到碳元素富集和纤维定型目的。由于等离子体的活性远比分子和中性原子大，在离子状态下能够实现氧化，所以在生产过程中把工频电能通过射频发生器转化成射频电磁场能量，再将石英容器的气体抽成负压，在射频电磁场的激发下，使之电离形成等离子体。由于在常温下就能获得带电的氧离子，因此，可以在远低于350℃的条件下完成高温状态下的化学过程。大动能离子对PAN的分子结构有破坏性需滤除，留下弱离子即软等离子，它们在有机物分子链空间的渗透能力非常强，可缓解“皮芯”现象。加工过程中还采用了射频极化法，能够里外同时进行化学反应，有效地减轻了氧化过程中的表里不一状况。

2.2.2 预氧化纤维微波碳化

用微波对预氧化纤维进行碳化是在电磁场中吸收电磁波的能量并转化为热量，电磁场的递质加热后过渡到富集碳原子，再直接对纤维加热。由于电磁波传播的方向与走丝方向相反，使得碳化过程从低温区移向高温区。另外，走丝速度很快，每束纤维都用1个走丝单元，这样，走丝速度和牵伸力就能分别控制，实现动态即时调节。电磁波对纤维有很强的穿透作用，电磁波能瞬时作用在纤维整个截面的表里，避免了所谓的“皮芯”现象．2.2.3 射频法小丝束碳纤维石墨化

碳化碳纤维在牵伸状态下加热到2400~ 2600℃，碳体积分数达0.99以上，纤维的乱层结构变为三维有序的结构，模量大幅提高成为高模量碳纤维，此过程亦称石墨化。因射频的波长比微波长，采用射频感应加热法能够使电磁波对纤维有足够的作用时间，容易控制。经过射频法石墨化的碳纤维消除了“皮芯”结构具有热效率高、纤维的离散系数小等优点。

3．碳纤维的加工过程

碳纤维的生产制造过程基本相仿 ,主要有预氧化(即稳定化) 、低温碳化、高温碳化(又称石墨化) 、表面处理、上浆和干燥等六大工艺步骤,其

表7 碳纤维的制造工艺过程

3.1以粘胶纤维为原料制造CF

粘胶纤维由于具有环状分子结构，所以可以直接进行碳化或石墨化处理，加热不会熔融，不需予氧化处理进行环化。

3.1.1 热处理过程

1）25～150℃，脱去粘胶纤维的吸附水(脱去物理吸附的水)

2）150～240℃，纤维素环的脱水(脱去化学吸附的水)

3）240～400℃，自由基反应，C—O键及C—C键断裂，放出H2O、CO、CO2等气体

4）400℃以上，进行芳香化，放出H2

在整个处理过程中，为使CF性能优良，产率高，所以要求加热速度较慢，而且不同的过程中，加热速度也不同。

3.1.2 优缺点

缺点：粘胶中含有大量的H、O原子，所以碳化理论收率仅55%，实际收率约20～30%；粘胶基CF强度较低，性能平衡性差，弹性系数较大。

优点：瞬间耐烧蚀性能好，可用作火箭的内衬材料。

3.2 以PAN为原丝制造CF

目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料来制造的。

3．2.1 基本工艺流程

3.2.2 原丝的制备

3.2.2.1 原丝的选择

为了保证碳纤维性能的优良，原丝应具备高纯度、高强度和高取向度、细旦化等性能。

高纯度：原丝中所含各类杂质和缺陷将“遗传”给碳纤维。为达到高纯度这一目的，可从以下几方面采取措施：原料的精密过滤；充分洗涤；

无尘纺丝。

高强度和高取向度：采用干湿法纺丝。

细旦化：原，丝细旦化已成为提高原丝强度和生产高强度碳纤维的主要技术途径之一。

3.2.2.2 聚合

1）加入共聚单体的目的：

①使原丝予氧化时既能加速大分子的环化，又能缓和纤维化学反应的激烈程度，使反应易于控制；

②并可大大提高予氧化及碳化的速度；

③有利于预氧化过程的牵伸。

2）共聚单体的种类：

在众多的共聚单体中，不饱和羧酸类：如甲基丙烯酸、丙烯酸、丁烯酸、顺丁烯二酸、甲基反丁烯酸等占有重要位置。

3.2.3 纺丝

通常采用湿法纺丝，而不用干法纺丝。这是因为干纺生产的纤维中溶剂不易洗净。在预氧化及碳化过程将会由于残留溶剂的挥发或分解而造成纤维粘连及产生缺陷。

加工方法及过程：

1）湿法：

纺丝原液→喷丝头→凝固浴(溶剂的水溶液)→水洗、拉伸等。

2）干法：

纺丝原液→喷丝头→纺丝甬道(热空气，溶剂在此受热蒸发) →冷却、拉伸等。

3

表11 干喷湿纺示意图

3.2.4 预氧化

预氧化在200~300℃下氧化气氛中（空气）受张力的情况下进行。

3.2.

4.1 预氧化的目的

使线型分子链转化成耐热梯形六元环结构，以使PAN 纤维在高温碳化时不熔不燃，保持纤维形态，从而得到高质量的CF 。

3.2．

4.2 预氧化过程的重要现象

纤维颜色变化：白→黄→棕褐色→黑色。

3.2.

4.3 施加张力的作用

限制纤维收缩，使环状结构在较高温度下择优取向（相对纤维轴），可显著提高CF 的模量。

3.2.

4.4 预氧化过程中可能发生的反应

1）环化反应

（梯形六元环，耐热）

2）脱氢反应

未环化的聚合物链或环化后的杂环可由于氧的作用而发生脱氢反应，形成以下结构： C

C C C C N N N

3）吸氧反应

氧可以直接结合到预氧化丝的结构中，主要生成－OH ，－COOH ，－C ＝O 等，也可生成环氧基。

C

C C

C C N N N O OH

或

3.2.

4.5 预氧化过程中的技术关键

预氧化过程中反应热的瞬间排除。

采取措施：通入预氧化炉中流动空气。

3.2.

4.6 预氧化时间

最佳预氧化时间要由条件实验评选，也可根据有关经验式进行计算。

影响因素：对于常用的PAN原丝，

1）预氧化温度愈高，所需时间愈短；

2）纤度愈细，时间愈短；

3）共聚原丝所需预氧化时间要比均聚的短；

4）改变预氧化气氛(如空气中加入SO2等)可促进预氧化反应的进行，缩短预氧化时间。

5）传热方法对预氧化时间也有影响。

3.2.

4.7 预氧化程度

预氧化程度是指在预氧化过程中氰基环化的程度。

1）如果纤维充分氧化，预氧化丝中的氧含量可达16～23％，一般控制在6～12％。

2）低于6％，预氧化程度不足，在高温碳化时未环化部分易分解逸出。

3）高于12％，大量被结合的氧会在碳化过程中以CO2、CO、H2O等逸出，导致纤维密度、收率、强度下降。

3.2.5 碳化

碳化过程在400~1900℃的惰性气氛中进行。惰性气体一般采用高纯氮气。

3.2.5.1 施加张力的作用

不仅使纤维的取向度得到提高，而且使纤维致密化并避免大量孔隙的产生，可制得结构较均匀的高性能碳纤维。

3.2.5.2 碳化过程中的反应

在碳化过程中，纤维中非C原子（如N、H、O）被大量除去，预氧化时形成的梯形大分子发生脱N交联，转变为稠环状，形成了CF。碳化后含碳率达95%左右，碳化产率约40～45%。

3.2.5.3 碳化过程的技术关键

非碳元素的各种气体(如CO2、CO、H2O、NH3、H2、HCN、N2)的瞬间排除。如不及时排除，将造成纤维表面缺陷，甚至断裂。

解决措施：一般采用减压方式进行碳化。

3.2.6 石墨化

在2500~3000℃的温度下进行。

3.2.6.1 保护气体

多使用高纯氩气Ar，也可采用高纯氦气He。

3.2.6.2密封装置

水密封，水银密封，保护气体正压密封等。

3.2.6.3 石墨化目的

主要是引起纤维石墨化晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小，以提高碳纤维的弹性模量。

3.2.6.4 石墨化过程

结晶碳含量不断提高，可达99％以上；纤维结构不断完善。CF的乱层石墨结构转化为GrF的类似石墨的层状结晶结构。

3.3 以沥青为原料制造CF

3.3.1 沥青

除天然沥青外，一般将有机化合物在隔绝空气或在情性气体中热处理，在释放出氢、烃类和碳的氧化物的同时，残留的多环芳烃的黑色稠状物质称为沥青。其含碳量大于70％，平均分子量在200以上，化学组成及结构千变万化，它们是结构变化范围极宽的有机化合物的混合物。

优点：沥青资源丰富，成本可降低。在民用方面有很大潜力。

3.3.2 沥青基碳纤维目前主要类型

各向同性沥青碳纤维：力学性能较低的所谓通用级沥青基碳纤维

各向异性沥青基碳纤维：拉伸强度特别是拉伸模量较高的中间相沥青基碳纤维

3.4 碳纤维的制造工艺过程总结

碳纤维的生产制造过程基本相仿 ,主要有预氧化(即稳定化)、低温碳化、高温碳化(又称石墨化)、表面处理、上浆和干燥等六大工艺步骤。现以应用最广的聚丙烯晴基碳纤维为例 ,简要介绍碳纤维的制造工艺过程。

3.4.1 预氧化

在 200～300 ℃的温度条件下,通过长达 2 小时的热处理和拉抻处理,使PAN 分子由氧铰链结构变为十分稳定的阶梯状苯环结构 ,以保证其在后续加热过程中不至于熔融或燃烧。

注意：

此阶段的化学变化将放出大量热量 ,若加热太快 ,累积的热量不能及时散出，往往会出现局部过热 ,导致纤维烧断。同时温度太高 ,PAN 分解的速度快于氧化扩散进入纤维内部的速度 ,则会产生预氧化不完全的皮芯结构 ,致使碳化后的碳纤维呈现中空化。

3.4.2 碳化过程

整个碳化过程分为低温碳化和高温碳化(石墨化)二个阶段 ,均在充满惰性气体一氮气的碳化炉中进行。经过预氧化的纤维进入低温碳化炉 ,在800～1000℃的温度条件下碳化热解 ,继而在高温碳化炉中 ,再通过1000～2000℃的温度梯度进一步碳化 ,并完成晶核石墨化的处理。

在该过程中 ,非碳元素 N、 H、 O、 S等被逐步从阶梯状的聚合物上除去 ,苯环凝聚成石墨状的多晶相结构。经过这种高温裂解的碳化处理过程后 ,就完成了碳纤维的主要生产工艺步骤。

3.4.3 表面处理

目的：对纤维表面进行氧化或涂覆处理 ,以增加纤维的润湿性、抗氧化性 ,以及与基材的粘着性。

表面处理的方法主要有电化学法、热气氧化法和气体沉淀法等 ,其中较常用的为电化学法 ,处理装置包括电解槽和水洗槽两部分。纤维在以罗拉（罗拉，纺织机械中起喂给、牵伸、输出等作用的圆柱形回转零件，是英语词“roller”的音译，有辊和轴的含义）为阴极和与之平行的石墨板为阳极的电解槽中使表面得到氧化 ,然后在水洗槽中用软水除去纤维上的电解质。

3.4.4 上浆

目的：保护纤维、防止毛丝受损伤 ,有利于纤维的后加工。

上浆装置由调装槽、导辊、上浆槽、上浆辊、刮浆辊等构成。前道工序水洗后的纤维含有约 30% ～40% 的水份 ,通过上浆制程加以去除 ,使纤维能够承受后道工序较高的干燥温度及较长的干燥时间而不致变质。

3.4.5 干燥

干燥过程较为简单 ,一般采用一组由蒸汽或热油加热的硬陶瓷滚筒来完成 ,最后再卷取成型。

第六节碳纤维及其复合材料的应用

碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，除少量纤维以碳元素形态存在，大多制成先进的复合材料广泛应用于土木建筑、航空航天、体育用品和交通运输领域等。

1．土木建筑

碳纤维材料的强度远高于钢材，而且质量轻、抗腐蚀、无磁性，在建筑上用作增强、修补材料。如复合材料棒材、纤维增强胶接层板、碳纤维增强混凝土、碳纤维复合材料片等。碳纤维增强混凝土具有普通增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐温差性能，在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸稳定性，可用作高层建筑的外墙墙板。又如修补材料常把碳纤维复合材料薄片贴在建筑物需加固的部位，修补加固钢筋混凝土结构物，并加固地震后受损的钢筋混凝土桥板、桥柱、桥墩等。

2．航空航天

碳纤维质量轻，刚性、尺寸稳定性和导热性好，其复合材料很早就用于航空航天领域，如军用飞机、无人战斗机及导弹、火箭、人造卫星等。近几年，随着碳纤维生产和航空航天技术的不断发展，碳纤维应用更广泛，如用于制造人造卫星支架、卫星天线、航天飞机的机翼、火箭的喷焰口、战略导弹的末级助推器、机器人的外壳等。

3．汽车

汽车工业的发展，要求大幅降低能耗，关键措施就是减轻汽车质量，因此，采用碳纤维复合材料满足了节能、环保和安全性的要求。目前，碳纤维增强复合材料已用作汽车骨架、轮毂、缓冲器、弹簧片、引擎零件等的增强材料。大幅降低了振动和噪音。

4．体育休闲用品

用碳纤维复合材料制成的体育休闲用品质量更轻、手感和硬度、吸收震荡和振动更好。同时延长了体育用品的使用寿命。目前主要用于自行车架、公路赛车、高尔夫球杆、网球拍、棒球棒、钓鱼竿、船桨、滑雪工具、竞技墙等体育用品。

5．能源

碳纤维复合材料有优良的比强度、比刚度和抗疲劳性，可用来制作产生绿色能源的风力发电机的翼片。高性能碳纤维纸能满足绿色能源——燃料电池的要求，用高性能碳纤维纸可制作燃料电池的气体扩散层电极材料。

6．医疗卫生

碳纤维具有良好的生物相容性，在医疗中常用于制造假肢、人造骨骼、骨状插人物、韧带及人工心脏瓣膜阀体等。碳纤维增强复合材料对 X射线透过性特好，可用于制造x光机的床体。

此外，碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用，主要用于防电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极、电子管的栅极，在生化防护、除臭氧、食品等领域中也有很色的表现。

【参考文献】

[1]翁蕾蕾,高性雕碳纤维硇生产和应用,印染助剂,2006（5），23-5；

[2]张敏、朱波、于美杰、魏晗兴、赵越，聚丙烯腈基碳纤维电化学改性研究现状与展望，材料导报：综述篇，2010（5），24-5；

[3]朱泽贺、武立付、马玉梅，碳纤维——一种高性能的新兴工业材料，福建轻纺，2000（11），11；

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[7]碳纤维历史及应用；

[8]李青山，功能高分子材料学，机械工业出版社，2009。

碳纤维复合材料结构设计要点

强度与刚度 既然是结构部件，那么设计者首先要考虑的是强度和刚度。部件在外力载荷的作用下，有抵 抗变形与破坏的能力，但是这个能力又是有限度的。 如何4定部件的使用载荷，不会超出部件的能力极限，是通过材料力学计算得出。而部件的 这个能力极限，就是碳纤维复合材料结构设计者需要考虑的问题。 通过合理的搭配纤维和树脂，优化纤维排布，用最少的材料，满足设计需求，体现了复合材 料设计者精湛的技巧。不过决定复合材料强度与刚度的因素，不但与纤维和树脂的种类有关，还与碳纤维的铺层方向以及层与层之间结合搭配有关。 所以，设计者在设计碳纤维复合材料结构部件时，需要考虑三个层级结构的力学性能。 由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各 相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。 由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的 厚度、铺设方向、铺层序列) 。 最顶层结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结 构几何。 稳定性 除了强度与刚度要求，设计者还需考虑复合材料部件的失稳，尤其是对一些细长杆结构，在 受压时，应该能够保证其原有的直线平衡状态。对于一些框架结构部件，如果铺层不均匀， 也会产生翘曲失稳，所以在制造过程中尤其注意。最好采用对称铺层，以防变形不均匀。 一般情况下，在部件没有达到极限载荷之下，不允许产生失稳现象。但是如果对于一些特殊 要求，可以产生失稳现象，那么设计过程中，要考虑失稳过程不会因此影响极限载荷。 铺层结构 铺层结构是碳纤维复合材料结构设计的关键，如何把单层结构的优异性能传递到复合材料结 构部件上，铺层结构起到承上启下的作用。关于复合材料铺层应注意以下几点： 1. 树脂是碳纤维复合材料力学性能的短板，所以尽量避免将载荷直接加到层间或者树脂之间。也就是说，0°、±45°、90°的纤维都要有，否则载荷会将部件从没有纤维排布的方向撕裂。 2. 为了防止层合板边缘开裂，尽量避免重复单一方向的铺层，设计时最多不超过5层。 3. 为了防止最外层铺层的剥离，在部件的主载荷方向，应铺放±45°纤维，而不能铺放0°和90°纤维。另外，避免最外层铺层间断或不完整。 4. 若使用非对称铺层，每层因同方向上热膨胀系数不同会出现翘曲，因此，一般要采用对称 铺层。 5. 当增加补强铺层时，每层阶梯最少要3.8- 6.4mm，附加铺层也应尽量采用对称铺层。

碳纤维的特性及应用

碳纤维的特性及应用 碳纤维是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点，归纳如下： 一、轻质、高强度、高模量 碳纤维的密度是1.6-2.5g/cm3，碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上。因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。 二、热膨胀系数小 绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室内为负数（-0.5～-1.6）×10-6/K，在200～400℃时为零，在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可作为标准衡器具。 三、导热性好 通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。 四、耐化学腐蚀性好 从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有机化学药品都很稳定，可以制成各种各样的化学防腐制品。我国已从事这方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广。 五、耐磨性好 碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石棉制成高级的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。 六、耐高温性能好 碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右，陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航空航天工业。 七、突出的阻尼与优良的透声纳 利用这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声纳导流罩等。 八、高X射线透射率 发挥此特点已经在医疗器材中得到应用。 九、疲劳强度高 碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环试验后，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻璃钢则只有20%-25%.因此设计制品所取的安全系数，碳纤维复合材料为最低。

碳纤维综述

PAN 基碳纤维 摘要: 聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。 关键词：PAN 基碳纤维 碳纤维结构 PAN 基碳纤维制备 PAN 基碳纤维性能 PAN 基碳纤维应用前景 航天 军事 体育用品 1. 碳纤维结构 碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。 碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。 2. PAN 基碳纤维的制备 从原料丙烯晴到聚丙烯晴基碳纤维的制备过程中可以看出四个关键步骤：PAN 的聚合， 原丝的制备，原丝的预氧化以及预氧化丝的炭化和石墨化。 2.1 PAN 的聚合 由于PAN 分子结构的特性，纯聚体PAN 不适宜作为碳纤维前驱体。工业生产中，往往采用共聚PAN 来制备PAN 原丝。引入共聚单体可以起到如下作用：减少聚合物原液中凝胶的产生；增加聚合物的溶解性和可纺性；降低原丝环化温度及变宽放热峰。但也可能带来一些负作用：降低原丝的结构规整性和结晶度；增加大分子链结构的不均匀性；引入更多的无机和有机杂质等。 2.2 原丝的制备 PAN 在熔点（317°C ）以下就开始分解，因此形成纤维主要通过湿法或干湿法进行纺丝。 干湿法纺丝由于将挤出膨化与表皮凝固进行了隔离，纤维的成形机理有所改变，因此湿法纺丝凝固过程中皮层破裂或径向大孔及表皮褶皱等现象基本消失，干湿法纺丝的原丝表面及内单体引发剂 聚合 纺丝 原丝 预氧化 预氧丝 炭化 石墨化 表面处理 上浆 碳纤维 石墨纤维

碳纤维材料的性能

碳纤维材料的性能及应用 摘要：介绍了碳纤维及其增强复合材料，详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民 用领域的应用，并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。 关键词：碳纤维性能应用 0引言 碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性，在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐，对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。 1碳纤维材料 1.1何为碳纤维材料 碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基 3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、

碳纤维材料性能及应用

碳纤维材料的性能及应用 碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。 碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。另外，碳纤维是指含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。 性能特点： 碳纤维的比重小，抗拉强度高，轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。总之，碳纤维是一种力学性能优异的新材料。 应用领域： 用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。1999年发生在南联盟科索沃的战争中，北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应，其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维使供电系统短路。 目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化（在3800K以上升华），而在各种溶剂中都不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化：在空气中加热，维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构，以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化：在惰性气氛中加热至1200-1600度，维持数分至数十分钟，就可生成产品碳纤维；所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气，但一般多用高纯氮气。C石墨化：再在惰性气氛（一般为高纯氩气）加热至2000-3000度，维持数秒至数十秒钟；这样生成的碳纤维也称石墨纤维。碳纤维有极好的纤度（纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数），一般仅约为19克；拉力高达300KG/MM2；还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越，用途非常广泛，如制造火箭、宇宙飞船等重要材料；制造喷气式发动机；制造耐腐蚀化工设备等。羽毛球：现在大部分羽毛球拍杆由碳纤维制成。【碳纤维】carbon fibre 含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含

大丝束碳纤维复合材料力学性能研究

第２８卷第６期２００３年１２月高斟拉纤维与应用 Ｈｊ妇ｈ Ｆｉｂｅｒ＆ＡｐｐＪｉｃ州ｏｎ Ｖ０１．２８．Ｎｏ．６ Ｄｅｃ。２００３ 大丝束碳纤维复合材料力学性能研究 刘宝锋１，陈绍杰‘，李佩兰１ （１．北京航空材料研究院，北京１０００９６；２．沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳ｌｌ００３５） 摘要：本文研究了大丝柬碳纤维（４８Ｋ）复合材料的常规力学性能及耐湿热性能，并与小韭束碳纤维（髓００。３Ｋ）复合材料进行了对比，研究结果可为太丝束复合材料在航空器的次承力件或非承力件的应用提供技术基础．关键词：大丝束碳纤维（４８Ｋ）：复合材料；力争】生能 中图分类号：Ｔ０３”３文献标识码：Ａ文章编号：１００７－９８１５（２００３）０６删８．０４ 刖舌 由于大丝束碳纤维（≥４８Ｋ）具有价格低、来源容易、性能与１２Ｋ碳纤维相当等优点，其复合材料在钓鱼竿、高尔夫球杆、建筑补强、天然气储罐、医疗器械等方面应用广泛”…，随着大丝束碳纤维价格的进一步降低，其应用领域将不断扩大。 目前，航空航天领域所用复合材料主要使用３Ｋ—１２Ｋ碳纤维，还未见有大丝束碳纤维在此领域应用的报道。它能否在航空航天领域应用的关键决定于其复合材料的力学性能及其稳定性。 本文结合实际科研工作，利用自行研制的高温固化（１８０℃）树脂体系５２２２Ｂ和国外进口的４８Ｋ碳纤维制成预浸料，并对复合材料层合板力学性能进行了研究。测试了大丝束复合材料单向板和多向板的拉伸、压缩、弯曲、剪切性能及湿热老化性能，并与小丝束碳纤维（Ｔ３００—３Ｋ）复合材料的相应性能进行了对比，将为大丝束碳纤维复合材料在航空航天领域的应用提供技术依据。 １实验部分 １．１主要原材料 ５２２２Ｂ高温固化改性环氧树脂体系，浅黄色粘稠体，靠为２２２℃，北京航空材料研究院自行 研制。 ＰＡＮＥｘ３３．４８Ｋ碳纤维，性能见表ｌ，美国ｚｏＬＴＥＫ公司制造。 １．２试验方法 （１）预浸料树胎含量或面密度，按ＧＢ厂ｒ７１９２．１９８２进行。 （２）拉伸性能，按ＧＢ厂ｒ３３５４—１９８２进行。 （３）压缩性能，按ＧＢ／Ｔ３８５６－１９８３进行。 “）面内剪切强度、模量，按ＧＢ厂ｒ３３５５．１９８２进行。 （５）弯曲性能，按ＧＢ厂ｒ３３５６．１９８２进行。 （６）层问剪切强度，按ＪＣ厂ｒ７７３．１９８２（１９９６）进行。 １．３制备大丝束碳纤维预浸料 先用１．２２ｍ热熔胶膜机制备３２０ｍｍ幅宽、外观均匀平整的５２２２Ｂ树脂胶膜，然后将胶膜再与４８Ｋ碳纤维在１．２２ｍ热熔预浸机上进行复合浸渍，通过调整预浸温度、压力、速度、纤维张力等工艺参数，制出幅宽３００ｍｍ的４８Ｋ碳纤维预浸料，其纤维面密度为（１３０±５）ｇ，秆，预浸料树脂质量分数。为（３８±３）％，预浸料外观均匀、平整、无干纱。 １．４制备大丝束复合材料层压板 将１６层的４８Ｋ碳纤维预浸料按Ｏ。方向铺贴成单向板；将２０层４８Ｋ碳纤维预浸料按ｆ４５。／Ｏ。＾４５。／９０。／４５。／０。／－４５。／０。／４５。／－４５。ｌ。铺贴成多向板后，分别在热压机上模压成型。所制 收稿日期：２００３－ｌｌ—１２；修定日期：２∞３－１２一０５ 作者简介：刘宝锋【１９６７一），男，高级工程师，主要从事复合材料树脂基体及预浸料研制开发工作．

碳纤维性能的优缺点及其对策

碳纤维性能的优缺点及其对策 现面以结构加固用的碳纤维布为例说明碳纤维的性能： 碳纤维布加固技术是利用碳素纤维布和专用结构胶对建筑构件进行加固处理，该技术采用的碳素纤维布强度是普通二级钢的10倍左右。具有强度高、重量轻、耐腐蚀性和耐久性强等优点。厚度仅为2mm左右，基本上不增加构件截面，能保证碳素纤维布与原构件共同工作。 1、碳纤维介绍 碳纤维根据原料及生产方式的不同，主要分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维及沥青基碳纤维。碳纤维产品包括PAN基碳纤维（高强度型）及沥青基碳纤维（高弹性型）。 2、环氧树脂 不同类型的树脂还可以保证其对砼具有良好的渗透作用，例如底涂树脂；以及对碳纤维片与砼结构的粘接作用，例如环氧粘结树脂等。 （1）环氧树脂简介 仅仅依靠碳纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作，才能达到补强的目的。因此，环氧树脂的性能是重要的关键之一。环氧树脂因类型不同而有不同的性能，适应于各个部位的不同要求。例如底涂树脂对混凝土具有良好的渗透作用，能渗入到混凝土内一定深度；粘贴碳纤维片的环氧树脂易于"透"过碳纤维片，有很强的粘结力。依使用温度的不同，树脂还分为夏用及冬用类树脂。 2、碳纤维材料与其他加固材料对比 （1）抗拉强度：碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍。 （2）弹性模量：碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。 （3）疲劳强度：碳纤维和芳纶纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝。金属材料在交变应力作用下，疲劳极限仅为静荷强度的30%～40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70%～80%，并在破坏前有变形显著的征兆。 （4）重量：约为钢材的五分之一。 （5）与碳纤维板的比较：碳纤维片材可以粘贴在各种形状的结构表面，而板材更适用于规则构件表面。此外，由于粘贴板材时底层树脂的用量比片材多、厚度大，与混凝土界面的粘接强度不如片材。

碳纤维增强复合材料概述

碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、

碳纤维及其复合材料的发展及应用_上官倩芡

第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un 碳纤维及其复合材料的发展及应用 上官倩芡,蔡泖华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势. 关键词:碳纤维;复合材料 中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05 碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍. 1碳纤维特性、结构及分类 碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以上的高性能纤维材料.碳纤维主要具备以下特性:1密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;o强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;?热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;?摩擦系数小,并具有润滑性;?导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;?耐高温和低温性好,在3000e非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;?耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性. 碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向.用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构[8],如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐.处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同.层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性 收稿日期:2008-01-04 基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034). 作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料 编辑本段概况 在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。 编辑本段结构 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。 碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。 编辑本段用途 碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。 碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。

碳纤维特性

碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。 用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化（在3800K 以上升华），而在各种溶剂中都不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。上前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化：在空气中加热，维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构，以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化：在惰性气氛中加热至1200-1600度，维持数分至数十分钟，就可生成产品碳纤维；所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气，但一般多用高纯氮气。C石墨化：再在惰性气氛（一般为高纯氩气）加热至2000-3000度，维持数秒至数十秒钟；这样生成的碳纤维也称石墨纤维。碳纤维有极好的纤度（纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数），一般仅约为19克；拉力高达300KG/MM2；还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越，用途非常广泛，如制造火箭、宇宙飞船等重要材料；制造喷气式发动机；制造耐腐

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1)密度低(1.7g/cm3左右)在承受高温的结构中，它是最轻的材料;高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度;有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现"假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 (2)热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 (3)耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。 复合原理它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。 碳纤维增强尼龙的特色 碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色，与玻璃纤维比较，模量高3?5倍，因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长（接连）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中，大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为，长（接连）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特色。因而，长碳纤维复合资料在加工上完善成型技术、短碳纤维复合资料进一步进步力学功能是碳纤维复合资料开展的方向。 依据碳纤维长度、外表处理方式及用量的不一样，还能够制备归纳功能优秀、导电功能各异的导电资料，如抗静电资料、电磁屏蔽资料、面状发热体资料、电极资料等。碳纤维增

聚丙烯腈碳纤维性能表征规范

聚丙烯腈碳纤维性能表征规范 聚丙烯腈碳纤维的性能主要有力学性能、热物理性能和电学性能。对于碳纤维材料来说，拉伸力学性能，包括拉伸强度、拉伸模量以及断裂伸长率是其主要力学性能指标。由于纤维材料本身的特点，很难对其压缩力学性能进行有效的表征，因此基本不考虑纤维本身的压缩性能。碳纤维的热物理性能包括热容、导热系数、线膨胀系数等，也是材料应用的重要指标。电性能主要为体积电阻率以及电磁屏蔽方面的性能。对于碳纤维的拉伸力学性能测试，各国都已经基本形成了相应的测试标准系列，这些标准系列同时包括了在力学性能测试时需要的线密度、体密度、上浆量等相关的测试。对于热物理性能，相关的测试标准较少。 5.5.1 碳纤维性能测试标准 日本从1986年开始发布了其碳纤维力学性能测试标准，有关标准见表5.30，其中JIS R7601-1986《碳纤维试验方法》涵盖了碳纤维单丝、束丝的拉伸力学性能测试方法外，还包括以及密度、上浆剂含量、线密度等测试方法及规范。JIS R7601-2006《碳纤维试验方法（修正1）》是在国际对石棉制品应用规定严格的条件下，将JIS R7601-1986中拉伸性能测试中夹持用垫片的石棉材料进行了删除。相比于JIS R7601-1986，JIS R7608-2007《碳纤维-树脂浸渍丝拉伸性能测试方法》被广泛地用于碳纤维力学性能的测试，其可操作性和规范性也更强。 表5.30 日本碳纤维测试标准 序号标准号标准名称 1 JIS R7601-1986 碳纤维试验方法 2 JIS R7602-1995 碳纤维织物试验方法 3 JIS R7603-1999 碳纤维-密度的试验方法 4 JIS R7604-1999 碳纤维-上浆剂附着率的试验方法 5 JIS R7605-1999 碳纤维-线密度的试验方法 6 JIS R7606-2000 碳纤维单纤维拉伸性能试验方法 7 JIS R7607-2000 碳纤维单纤维直径及断面面积试验方法 8 JIS R7608-2007 碳纤维-树脂浸渍丝拉伸性能测试方法 9 JIS R7609-2007 碳纤维体积电阻率测试方法 10 JIS R7601-2006 碳纤维试验方法（修正1） 日本东丽公司作为世界聚丙烯腈基碳纤维生产能力和水平最高的企业，也有自己的碳纤

碳纤维发热体的特性

新宝电子 社训：博学，求精，诚实。 理念：自强不息，厚德载物。 一．碳纤维的概念：碳纤维是一种纤维状的炭，强度是普通钢的四倍而比重只约等于钢的1/4，具有轻便坚韧的物理特性。 二．碳纤维的导热原理：碳纤维发热布取暖系统是在碳纤维发热布两端加以电压，以热辐射的方式向外辐射能量。 三．碳纤维的物理特性：低比重、高强度、高弹性、耐腐蚀、耐高温，耐磨损等众多优良性能的尖端材料。 四．碳纤维加热布的特点：点不着、折不断、省电、没有燥热感、属军工产品；使用寿命长。无辐射、无粉尘、无噪音、无污染、无静电，无名火是名副其实的绿色产品。 五．制造工艺：原材料----全自动碳纤维制造流水线----纺织工序----电动覆膜----加工处理----碳纤维发热膜。 公司采用onesystem的碳纤维面上发热体生产系统，管理严谨。采用PET 对产品进行100%覆膜，保证了产品的电阻偏差率在0.3%以内，弥补了电阻偏差率在30%以上的同类产品热耗大的缺点。 公司所使用的D/C温控仪为自主研发，有效减少火灾的发生率，提高了安全性，同时节电能力达到30%以上，更加经济实惠。 六．产品特性：1、独特的绝缘材料。 2、卓越的耐久性。 3、安全、节能、环保。 4、先进的纤维制造工艺。 5、施工简便，更经济。 6、抗菌性：（碳纤维发热布能够释放出90.3%远红外线，148C 的负氧离子。达到去除95.5%的细菌以及77%异味的效果。） 七．电采暖的几大优势：1、舒适性的优越，每个房间的温控准确（每个房间 一个温控）。 2、系统的可控性满足了个性化的需求。 3、寿命长，无需维护，比水暖更安全和可靠。 4、投资与使用的费用优势。 八．产品应用范围：碳纤维加热布产品可广泛没应用于各种床垫、汽车坐垫、温热治疗仪、建筑施工的取暖材料，以及运动场、高尔夫球场的融雪设备。还可以应用于农业发热装置，炊具，汽车、军事等领域。 九．碳纤维发热布的保健功能：碳纤维所发射的远红外线与人体释放出的远红外线波长相等（5---20微米）。固产生共振线现象。可以消除疲劳恢复身体机能，提高人体免疫力，调节精神的异常兴奋。 十．产品价格:无论产品性能多么卓越如果价格下不去，产品不易被大众所接受。本公司产品使用自主研发的原材料价格实惠，与其他厂家的产品相比在价格上具有很大的优势。并且效率高可节约30%--40%的电费，更加节约环保。

碳纤维复合材料

碳纤维的研究现状与发展 摘要：碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，分子结构界于石墨和金刚石之间，含碳体积分数随品种而异，一般在0.9以上。 关键词：碳纤维复合材料性能与应用 正文 一、碳纤维的性能 1.1分类 根据原丝类型分类可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基3种碳纤维，将原丝纤维加热至高温后除杂获得。目前，PAN碳纤维市场用量最大；按力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度4种碳纤维；按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维，其中小丝束初期以1K、3K、6K（1K为1000根长丝）为主，逐渐发展为12K和24K，大丝束为48K以上，包括60K、120K、360K和480K等。 1.2性能 碳纤维的主要性能：(1)密度小、质量轻，密度为1.5～2克/立方厘米，相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2；(2)强度、弹性模量高，其强度比钢大 4-5倍，弹性回复l00%；(3)具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂；(4)导电性好，25。C时高模量纤维为775μΩ/cm，高强度纤维为1500μΩ/cm；(5)耐高温和低温性好，在3000。C非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；(6)耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。

通常，碳纤维不单独使用，而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料，该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到了广泛应用。 1.3应用领域 由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外，碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用，主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极，在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。碳纤维复合材料片。碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂（通常是环氧树脂）将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。把这种薄片按照设计要求，贴在结构物被加固的部位，充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用，来修补加固钢筋混凝土结构物。日本、美国、英国将该材料用于加固震后受损的钢筋混凝土桥板，增强石油平台壁及耐冲击性能的许多工程上，获得了突破性进展。碳纤维复合材料片具有轻质（比重是铁的1/4～1/5），拉伸模量比钢高10倍以上，耐腐蚀性能优异，可以手糊，工艺性好等优点。因此，碳纤维复合材料片在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物（约束裂纹发展、防止混凝土削落）和提高结构物耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构物的补强、加固应用将越来越多。 二、生产工艺 通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体—原丝—预氧化丝—碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法。 2.1干喷湿纺法 干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条，纺出的纤维体密度较高，

碳纤维的性能、应用及相关标准

聚丙烯腈基(PAN)碳纤维的性能、应用及 相关标准 2010年6月15日10:42 中国纤检 摘要:聚丙烯腈基碳纤维就是一种力学性能优异的新材料,在航空、航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域得到广泛的应用。本文简要介绍了国内外PAN基碳纤维的发展历程与现状,PAN基碳纤维的制备、结构及性能及碳纤维的应用领域,详细介绍了PAN基碳纤维相关标准及检测,并对未来发展进行了展望。 关键词:碳纤维;聚丙烯腈;标准 碳纤维就是一种力学性能优异的新材料,它不仅具有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,就是新一代增强纤维。它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,就是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000Mpa~43000Mpa亦高于钢。材料的比强度愈高,则构件自重愈小,比模量愈高,则构件的刚度愈大,从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。 碳纤维就是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料,经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能,就是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料,同时在体育用品、交通运输、医疗器械与土木建筑等民用领域也有着广泛应用。PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好,因而发展很快,产量占到90％以上,成为最主要的品种。 1 国内外聚丙烯腈基碳纤维的发展现状

1、1国外发展现状 1959年,媒体报道的日本的进藤昭南由聚丙烯腈长丝经预氧化、碳化而制成性能优良的碳纤维工艺专利,由于该工艺简单,产品力学性能优良,因此发展较快,开创了碳纤维的新时代。 世界上聚丙烯腈基碳纤维的生产,现在已分化为以美国为代表的大丝束碳纤维与以日本为代表的小丝束两大类。日本与美国所产的碳纤维约占全球总供应量的80%[1]。日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司(东丽Toray、东邦Toho及三菱人造丝公司Mitsubishi)依靠其先进纺丝科学技术,形成高性能原丝生产的优势,大量生产高性能碳纤维,使日本成为碳纤维大国,无论质量还就是数量上均处于世界前三位,占据了世界78%左右的产量。日本Toray 公司就是世界上最大的PAN基碳纤维厂商,2003年生产能力为7350t/a,其中在日本国内生产能力4700t/a,在美国拥有产能1800t/a,另外在法国与Atofia合资的Soficar产能为850t/a。公司以生产小丝束PAN基碳纤维为主,在日本国内大丝束PAN基碳纤维的产能仅为300t/a。东邦人造丝就是第二大碳纤维生产商,其碳纤维的生产能力为5800t/a,全就是小丝束品种。三菱人造丝在日本国内产能为2700t/a,在海外美国Grafil的产能为700t/a,2001年三菱人造丝率先将设备投资增加27、5%,达到190亿元,将本国的产能提高500t/a,再将美国子公司Grafil的产能增加800t/a,这样两地的总产能达到4700t/a。世界主要PAN基碳纤维生产企业的产能见表1[2]。 表1 世界主要PAN基碳纤维生产企业的产能 t

活性碳纤维的特性

活性碳纤维的特性 1)吸附量大 活性碳纤维对有机气体及恶臭物质（如正丁基硫醇等）的吸附量比粒状活性炭（GAC ）大几倍至十几倍。对无机气体也有较好的吸附能力。对水溶液中的无机物、染料、有机物及贵金属的吸附量比GAC 高5—6倍。对微生物及细菌也有很好的吸附能力（如对大肠杆菌的吸附率可达94—99%）。对低浓度吸附质的吸附能力特别优良。如对于吸附质的浓度在几ppm 级时仍可保持很好的吸附量，而GAC 等吸附材料往往在几十ppm浓度时才有良好的吸附能力。 2)吸附速度快 对于从气相中吸附气态污染物的吸附速度非常快，对液体的吸附也可很快达到吸附平衡，其吸附速率比GAC 高数十倍至数百倍。 3)再生容易，脱附速度快 在多次吸附和脱附过程中，仍能保持原有的吸附性能。如用120-150℃蒸汽或热空气再生处理ACF 10-30分钟即可达到完全脱附。 4)耐热性好 在惰性气体中可耐高温1000℃以上，在空气中的着火点高达500℃以上。 5)耐酸、耐碱，具有较好的导电性能和化学稳定性。 6)灰份少。 7)成型性好，易加工成毡、丝、布、纸等形态。 活性碳纤维的介绍 一般传统上所使用的活性炭可分为粉末状活性炭（AC）和颗粒状活性炭(GAC)，上世纪六十年美、日、俄等国家相继研发出第三种形态的活性炭称为活性碳纤维（Activated Carbon Fibers,/ACF）。国内在七十年代末八十年初,也研发出活性碳纤维。因为活性炭纤维其表面遍布微孔，以及可经二次加工，成为不

同形态的毡及布状的材料，与传统的颗粒炭相比，具有较快的吸附、脱附的速度和更便利的操作维护等优点 活性碳纤维（以下简称ACF）的诞生在整个环保产业是一场革命。ACF是以粘胶基纤维为原料，经高温碳化、活化后制成的纤维状新型吸附材料，与社会上公认的比较好的吸附材料颗粒状活性炭相比，ACF具有以下显著的的特点： （一）、比表面积大，有效吸附量高。由于同样重量的纤维的表面积是颗粒的近百倍，所以需要填充的活性碳纤维的重量非常小，然而吸附效率却非常高，根据所处理废气的有机气体含量和其它物理特性的不同，吸附效率在85％至98％之间，多级吸附工艺可以达到99.99％,远远高于活性碳颗粒吸附法的最高吸附率88％，而且体积及总重量也都很小。 （二）、吸附﹑脱附行程短，速度快；脱附﹑再生耗能低。ACF对有机气体吸附量比颗粒状活性炭(GAC)大几倍至几十倍，对无机气体也有很好的吸附能力，并能保持较高的吸附脱附速度和较长的使用寿命。如用水蒸气加热6-10分钟，即可完全脱附，耐热性能好，在惰性气体中耐高温1000℃以上，在空气中着火点达500℃以上。 （三）、对低浓度吸附质的吸附能力特别优良，对ppm数量级吸附质仍保持很高的吸附量 （四）、形状可变，使用方便；强度好，不会造成二次污染。 活性碳纤维的应用 有机溶剂的回收 用于从气相分离回收有机溶剂，如对苯类、酮类、酯类、石油类的蒸汽均能从气相吸附回收，特别是有腐蚀性的氯化物、很容易起反映的溶剂、很容易分解的溶剂，使用ACF 做溶剂回收设备吸附脱附速度快、处理量大、回收溶剂质量高，而且回收效率可达97%以上。 空气净化

碳纤维复合材料修订稿

碳纤维复合材料 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-

碳纤维复合材料 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1)密度低cm3左右)在承受高温的结构中，它是最轻的材料;高温的强度好，在 2200oC时可保留室温强度;有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现"假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 (2)热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 (3)耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。 复合原理它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。 碳纤维的特色 碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色，与玻璃纤维比较，模量高35倍，因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长（接连）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从 300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中，大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为，长（接连）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特色。因而，长