第七讲 无机纤维-碳纤维

材料的强度除决定于分子结构外，还决定于结构的 完整性，完整的结构将使材料具有高的强度
(1) 碳纤维的主要结构为石墨层状的六方晶体结构; (2) 同层的每个C原子的三个电子和临近的三个C原子以
共价键相结合，键长142皮米（1皮米＝0.001纳米）； (3)不同层之间的距离是335皮米，层和层之间以范德华力
（3）、纤度细
碳纤维的外表很平凡，粗看起来象人的 头发，但比人的头发要细得多。将几十根 碳纤维合在一起才和人的头发一样粗细。 碳纤维细度可为0.05Tex。
（4）、不生锈、耐腐蚀
碳纤维不生锈，耐腐蚀。除了浓度大于 75%的硝酸和硫酸外，盐酸、硝酸、硫酸和 一些有机溶剂腐蚀不了碳纤维。把碳纤维放 在一些酸液中，二百天后测量其弹性模量、 强度和直径的变化，发现在浓度为50%的盐 酸、硫酸和磷酸中没有明显的变化，在50% 浓度的硝酸中只是稍有膨胀，其耐腐蚀性能 远优于不锈钢。在一份硝酸（浓度70%）和 三份盐酸（浓度37%）配成的“王水”中， 碳纤维性能不变。
（5）、既能耐低温，又能耐超高温
——在-180ºC的低温下，许多材料都变得很脆，而石墨纤 维布在这么低的温度下却依旧是很柔软。 ——在3000~4000ºC的高温下，在没有氧气的情况下，碳 纤维在这样的高温下也还是巍然不动。 ——一般材料的强度随着温度的升高都要大幅度降低， 但碳材料却是唯一的一种在高温下随着温度升高而强度 增大的材料。理论上，随着温度的升高，在2500ºC时， 碳材料的强度不仅不降低，反而比室温的强度还要提高 一倍。然而在现有的实际操作中，碳纤维随着温度升高 而强度并不增加，但在2000ºC以上的高温下，碳纤维的 强度和弹性模量却仍能基本保持。因此，碳纤维的耐高 温性能还是远远超过了一般材料。 ——碳纤维的升华温度高达3650ºC。
碳纤维国内外的主要发展现状
国外：
世界碳纤维产量达到每年4万吨以上，全世界主要是日本美 国德国以及韩国等少数国家掌握了碳纤维生产的核心技术，并 且有规模化大生产。 当前，全球碳纤维核心技术被牢牢掌控在少数发达国家手中 。一方面，以美日为首的发达国家始终保持着对中国碳纤维行 业严格的技术封锁；另一方面，国外碳纤维行业领先企业开始 进入中国市场，中国本土碳纤维企业的压力大增。虽然中国加 大了对碳纤维行业的引导和扶持力度，但在较大的技术差距下 ，国产碳纤维的突围之路仍然坎坷。
碳纤维电暖气品
碳纤维管
红双喜高强系数碳纤维网球拍
碳纤维版苹果MacBook笔记本
诺基亚8800A碳纤维版手机
碳纤维自行车
Megacity车型主要由碳纤维材料打造 碳纤维加固
1.2 碳纤维的发展历史
• 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） •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“Ｔ hornel—25”，日本大阪工业试验所的进藤昭男发明了ＰＡＮ基 碳纤维
国内：
中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研 究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进 入21世纪以来发展较快，安徽率先引进了500吨每年原丝、 200吨每年PAN基碳纤维，使中国碳纤维工业进入了产业化。
2011年中国碳纤维市场规模达到6811吨，然而，受供应不 足的影响，国内碳纤维市场发展相对较为缓慢。预计未来几年 ，随着供应量的提升，中国碳纤维行业的需求量也将保持着较 快速度的增长。
强度和弹性模量是衡量材料坚固程度 的两个最重要的力学性能指标。高强度的 碳纤维的抗拉强度可达到30~40吨/平方厘 米，要比钢铁大四倍多。
（2）、比重轻——1.7~2.2
碳纤维比重只比一般塑料重一点。碳纤 维 的 比 重 是 铝 合 金 的 1/2 ， 还 不 到 钢 铁 的 1/4。如按它的抗拉强度比钢铁大4倍，比 铝合金大6倍计算，碳纤维的比强度比钢铁 大16倍，比铝合金大12倍。由于碳纤维的 比强度和比弹性模量特别高，所以对于那 些要求全面减轻自重的物体，如宇航用品、 交通用品、体育比赛用品就有更大的意义。
•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 。
•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）
中国高性能碳纤维都依赖进口，日本的碳纤维产量更是占 全球市场份额的60%。2016年2月15日，中国突破日本管制 封锁研制出高性能碳纤维。
1.3 碳纤维分子结构
石墨六方晶体结构
石墨是层间六角网格 碳原子组成。块状石 墨密度2.15g/cm3
金刚石
金刚石由四面体菱形空 间六角网格碳组成，密 度3.51g/cm3
无机纤维
无机纤维
无机物和无机化合物纤维： 玻璃纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维
金属纤维： 不锈钢纤维、铜合金纤维等
碳纤维
1、碳纤维的概念与发展现状 2、碳纤维的性能 3、碳纤维的分类与制备方法 4、碳纤维的表面处理 5、碳纤维的应用
1. 碳纤维的概念
碳纤维是指纤维化学组成中碳元素占总质量90%以上的纤维。
相连，因而层间的结合力很小，只相当于层内C原子的 结合力的1%。层与层之间很容易滑移。
因此，碳纤维沿着纤维轴的方向有着很强的结合力，强 度和模量极高，而垂直于纤维轴的方向强度和模量很低， 纤维比较脆，不能打结和加捻。因此，碳纤维的主要用 途是制备复合材料避开它的缺点。
1.4 碳纤维优点
（1)、在纤维轴方向显示高抗拉强度和高 弹性模量
技术的落后直接导致中国碳纤维产品质量与进口产品之间的 明显差距，也极大地限制了国产碳纤维产品在高端领域的应用 。国产碳纤维落后的技术却制约着中国碳纤维行业健康稳健发 展。 有数据显示，中国碳纤维产品在应用上集中于低端领域，在 碳纤维质量要求较高的航空航天领域的应用比例仅为3%，远 远没达到国际上碳纤维行业在航空航天领域应用占比的平均水 平；然而，在质量要求相对较低的运动休闲用品领域，碳纤维 的应用比例却高达80%左右，四倍于国际上碳纤维在运动休闲 用品领域应用的平均水平。