聚丙烯腈碳纤维性能表征规范
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
班级：1013241 姓名：董鸿文
学号：101324108
材料化学课程论文
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维等 人造纤维戒合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等过 程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
1 2
3
沥青基
粘胶基
聚丙烯腈基（PAN）
PAN链的无规则螺旋结构
PAN纤维→预氧化→碳化→石墨化→PAN基碳纤维
PAN碳纤维原丝微观图
【1】PAN碳纤维原丝截面图
【2】PAN纤维截面SEM照
【3】PAN碳纤维表面结构
PAN碳纤维复合材料的应用
1.航空航天：航天飞机、运载 火箭、导弹卫星、民用商业飞 机
2.体育休闲：球杆球拍、箭弓、 鱼竿、自行车
参考文献
[1]徐樑华：高性能PNA基碳纤维国产化进展及发展趋势[J].中国材料进展， 2012，31（10）：7-13 [2]陈利，孙颖，马明：高性能纤维域成形体的研究[J].中国材料进展，2012， 31（10）:21-29 [3]韩克清，严斌，余木火：碳纤维及其复合材料高效低成本制备技术进展[J].中 国材料进展，2012，31（10）:30-35 [4]郭敏怡:我国高性能碳纤维产业发展现状不展望[M].军民两用技术不产品， 2012,2:53-58 [5]郑宁来:中国航天公司研制成功碳纤维新产品[J].合成纤维，2011,40 （7）:14-15 [6]贺福:研制高性能碳纤维已是当务之急[J].高科技纤维不应用，2010,35（1）： 14-18 [7]钱伯章:国内外碳纤维应用领域、市场需求以及碳纤维产能的进展[J].高科技 纤维不应用，2010,35（2）:29-33 [8]赵稼祥:世界PAN基碳纤维的生产不需求以及对发展我国碳纤维的启示[J].新 材料产业，2010,9:25-31
聚丙烯腈基碳纤维布相关标准
聚丙烯腈基碳纤维布相关标准聚丙烯腈基碳纤维布是一种重要的新型纤维材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、船舶、汽车、建筑、电力等领域。
为了确保聚丙烯腈基碳纤维布的质量，相关标准起到了重要的作用。
本文将介绍聚丙烯腈基碳纤维布相关的国际、国家标准。
首先，国际上最常用的聚丙烯腈基碳纤维布标准是ISO 18333-1：2016。
该标准规定了聚丙烯腈基碳纤维布的分类、术语和定义、试验方法等内容。
例如，该标准要求对聚丙烯腈基碳纤维布的线密度、纤维直径、机械性能进行测试和评估。
此外，ISO 18333-1：2016还对产品的标识、包装、运输等方面进行了要求，以确保各个环节的质量控制和产品的可追溯性。
在国内，对聚丙烯腈基碳纤维布的标准主要有两个，分别是GB/T 30581-2014和HG/T 3197-2010。
其中，GB/T 30581-2014是国家标准，规定了聚丙烯腈基碳纤维布的技术要求、试验方法、标志、包装和质量证明等方面。
该标准要求对聚丙烯腈基碳纤维布的化学成分、线密度、纤维直径、机械性能、热稳定性、耐腐蚀性等进行测试和评估，以确保产品的可靠性和稳定性。
另外，HG/T 3197-2010是化工行业标准，适用于聚丙烯腈基碳纤维布的设计、制造、验收等方面。
该标准要求对聚丙烯腈基碳纤维布的纤维密度、线密度、纤维直径、机械性能、热稳定性、耐腐蚀性等进行测试和评估，同时还对质量控制的原则、方法进行了规定，以确保产品的一致性和质量稳定。
除了上述国际标准和国家标准，还有一些行业标准也涉及到了聚丙烯腈基碳纤维布。
例如，航空航天领域常用的军用标准GJB 2868-2012，该标准规定了航空航天用聚丙烯腈基碳纤维布的技术要求、试验方法和使用环境等方面。
该标准要求对聚丙烯腈基碳纤维布的纤维直径、线密度、表面密度、拉伸强度等进行测试和评估，以确保产品在特定环境下的可靠性和性能。
综上所述，聚丙烯腈基碳纤维布相关的标准既包括国际标准，也包括国家标准和行业标准。
碳纤维用聚丙烯腈制备及其结构、性能
65.9
5. 引发剂种类对聚合影响
样品 引发剂 1 引发剂 2 引发剂 2
转化率 (%) 12 h 76.9 84.8 89.6
粘均分子量 (× 104) / 19.8 22.0
旋转粘度 （Pa.S） / 49 145
GPC Mn 32578 29201 33674 Mw 64723 55412 57118 Mw/Mn 1.99 1.90 1.70
PAN-NVP
50
100
150
200
o
250
300
350
Temperature C
不同聚丙烯腈共聚物的放热峰
8.TGA分析
不同共聚单体总含量的聚丙烯腈在N2中的TGA曲线及其微分曲线
不同共聚单体总含量的聚丙烯腈在空气中的TGA曲线及其微分曲线
9.聚丙烯腈在管式反应器共聚的研究
聚丙烯腈在6米管式反应器共聚的原液性能
Mw/ Mn ≤ 2.8
1. 共聚单体种类对聚合速率的影响
PAN共聚物 PAN-DMI PAN-MBI 聚合时间 （小时） 24 48 转化率 (%) 55.0 81.1 粘均分子量 (×104) 21.4 Mn (×104) 3.3 2.4 Mw (×104) 7.3 6.5 Mw/Mn 2.2 2.7
6.共聚单体含量对等规度的影响
等规度 ≥ 26％
聚丙烯腈的13C－NMR谱图
共聚单体总含量对聚丙烯腈等规度的影响 共聚单体 含量(wt%) 2.5 4.3 5.9
13C-NMR谱
图
等规度(%)
26.0
26.1
29.8
7.共聚单体种类对DSC放热峰的影响
PAN-AM PAN-DMI-IA PAN-DMI
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
针对PAN基碳纤维复合材料生产过程中存在的能耗高、污染重等问题 ，研究者们不断改进生产工艺，提高生产效率和环保性。
未来发展趋势预测与挑战分析
高性能化
未来PAN基碳纤维复合材料将继续向高性能化方向发展， 以满足高端应用领域对材料性能的更高要求。
绿色环保
随着环保意识的提高，PAN基碳纤维复合材料的绿色生产 将成为未来发展的重要趋势，包括采用环保原料、优化生 产工艺等。
耐疲劳性
碳纤维复合材料具有良好 的耐疲劳性能，能够承受 长期的交变载荷作用。
热稳定性及耐候性评估
热稳定性
PAN基碳纤维在高温下能 够保持较好的稳定性，不 易发生热分解或氧化反应 。
耐候性
碳纤维复合材料具有良好 的耐候性能，能够抵抗紫 外线、酸雨等自然环境的 侵蚀。
耐腐蚀性
由于碳纤维的化学稳定性 较高，因此它对于多种化 学物质都具有良好的耐腐 蚀性。
汽车工业领域应用
轻量化
碳纤维复合材料具有密度小、比 强度高、比模量高等优点，是实 现汽车轻量化的理想材料，可用
于车身、底盘等结构件。
安全性
碳纤维复合材料在碰撞时能够吸收 大量能量，提高汽车的安全性。
舒适性
碳纤维复合材料具有良好的阻尼性 能，能够降低汽车行驶过程中的振 动和噪音，提高乘坐舒适性。
体育器材领域应用
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料的制备工艺主要包括原丝 制备、预氧化、碳化、石墨化 等步骤，通过控制工艺参数可 以得到不同性能的复合材料。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料在航空航天、汽车、体育 器材、建筑等领域具有广泛的 应用前景，如飞机结构件、汽 车轻量化部件、高性能运动器 材等。
02
CATALOGUE
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料-作业
b、碳化收率为50%-55%;
c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;
PAN链的无规则螺旋结构
PAN纤维→预氧化→碳化→石墨化→PAN基碳纤维
PAN纤维截面SEM照
PAN碳纤维表面结构
PAN碳纤维复合材料的应用
全球PAN碳纤维产业发展情况
全球PAN碳纤维产业发展情况
比重不到钢的1/4 ，市面上出售的 PAN基碳纤维密度 在1.75-1.93g/cm3 之间。
耐高温（惰性气 氛下可耐2000℃ 以上），低热膨 胀系数，比热容 小，出色的抗热 冲击性，优秀的 抗腐蚀和抗辐射 性能。
聚丙烯腈基碳纤维的制造
PAN结构式
I→600pm←I
a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料-作业
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维 等人造纤维或合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等 过程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
粘胶基
沥青基
聚丙烯腈基
碳纤维的性能（PAN）
Байду номын сангаас
强度高
密度低
其他性能
理论强度可达到 180GPa。目前东 丽T1000的强度达 到7.02GPa，虽然 远低于理论值但 比钢的强度要高 出很多
精编JTT 525-《公路水泥溷凝土纤维材料 聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》资料
5．海川工程科技的聚丙烯腈纤维指标
表12
聚丙烯腈纤维指标
纤维牌号 纤度(dtex) 标称直径(μ m) 长度(mm) 纤维材料 比重(103Kg/m3) 抗拉强度(Mpa) 弹性模量(GPa) 断裂伸长率（%） 纤维数量(根/Kg) 推荐掺量(Kg/m3)
路威 2002-I 1.9 13 6
聚丙烯腈 1.18
试件编号
1
2
3 平均 值
不加纤维 骨料粒径 0～20mm
加纤维
7.018 5.781 6.867 6.555 7.222 7.523 7.558 7.434
不加纤维 骨料粒径 0～16mm
加纤维
7.489 6.574 6.219 6.761 7.584 7.127 7.372 7.361
《公路水泥混凝土纤维材料 聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》JT/T 525-2004 宣贯
表2
试件编号
水泥混凝土冲击试验结果
1
2
3
平均 值
骨料粒径0-20mm
不加纤维 加纤维
827 1465 1619 1740 1867 1780
1303 1795
骨料粒径0-16mm
不加纤维 加纤维
1290 2454 3270 1000 3250 4400
2338 2883
《公路水泥混凝土纤维材料 聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》JT/T 525-2004 宣贯
项目
表7 外观质量
指
标
聚丙烯网状纤维
色泽 色差
原白色 基本一致
手感 未牵引丝
柔软 不允许有
洁净度
无污染
形状
开网均匀规则，每 10mm 长度至少一个连接点，且为网 状结构
JTT 525-2004 公路水泥混凝土纤维材料 聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。 凡是注明日 期的引用文件， 其随后所 有的修改单 不包括勘误的内 或修订版均不适用于本 （ 容） 标准， 然而， 鼓励根据本标准达成协议的 各方研
Ｊ 负 门
指
密度， ｃ３ ｇｍ ／
熔点 ， ℃
抗能 碱力
耐热稳定性
一 － ｝ －－ Ｉ－－ ２ －— ． ０ Ｉ Ａ 一 一 ９
一
要求， 严禁使用粉状和再造粒状颗粒原料。
５４ 原材料要求 ．
聚丙烯纤维的生产原料聚丙烯应满足 Ｇ／ ＢＴ
Ｊ／ ２－２Ｎ Ｔ 丁５ ５ ０
６ 试验方法
６１ 外观质量 ．
４． 分 类 １
聚 合物纤维按产品的 原材料和结构形式分为三种： ａ 聚丙烯睛单 ） 丝纤维； ｂ 聚丙烯单丝纤维； ）
动 聚丙烯网状纤维。
４． 型 号 ２
型号表示方式 ： 见图 １ ． 原材料代号 聚丙烯睛－Ｐ Ｎ 聚丙烯－Ｐ Ｆ； ： Ａ ， Ｐ
８ 标志、 包装、 运输和贮存・・・・・・・・・・・・・・・・，・・・・・・，，・ …… ４ ・・・・，・・・・・・・・・・・・，１・・・・・・・ ・ ・・・ ・・，・・ ・ ・・・４ ・・，・ ・ ・ ・ ３
Ｊ／ ５５ ２０ Ｔ丁 ２－ ０４
前
言
本标准是公路水泥混凝土纤维材料产品技术 标准之一， 该系列标准包括： Ｊ／ ５ －２” ０ 公路水泥混凝土 ＴＴ ２ ４ １ 纤维材料 钢纤维； Ｊ／ ５５ ０ ０４ 公路水泥混凝土 ＴＴ －２ ２ 纤维材料 聚丙烯纤维和聚丙烯睛纤维。
在 自 光线下进 行 目测及 手感检验。 然 ６２ 长度 ． ６２， 网状纤维 ．．
不同纺丝法制备的聚丙烯腈纤维的结构与性能
不同纺丝法制备的聚丙烯腈纤维的结构与性能田银彩;韩克清;余木火【摘要】对购买的由不同厂家采用溶液纺丝制得的3种商用聚丙烯腈(PAN)原丝和采用增塑熔融纺丝法自制的PAN纤维的结构与性能进行对比研究.试验结果表明:增塑熔融纺丝法制备的PAN纤维发生了环化、脱氢反应,放热峰宽化,放热焓较低,玻璃化转变温度较高,纤维的拉伸断裂强度均高于3种商用PAN原丝,达到7.38 cN/dtex;采用Ruland法和逐次切线法计算发现,增塑熔纺PAN纤维沿纤维[方向微孔的半径和取向偏离度较小,微孔长度较大.%The structure and properties of polyacrlonitrile (PAN) fibers,both plasticized melt-spun ones and three different commercial ones prepared by solution spinning method,were studied.The results indicated that cyclization and dehydrogenation reactions occurred on plasticized melt-spun PAN fibers,and the exothermic peak of which were wider and the exothermic enthalpy became lower.In addition,the glass transition temperature was higher.The tensile strength was higher than that of there commercial PAN fibers,reached 7.38cN/pared with those commercial PAN fibers,microvoid radius and orientation deviation along the direction of fiber axis were smaller and microvoid length was larger for plasticized melt-spun PAN fibers,calculated by Ruland method and gradual tangent method.【期刊名称】《东华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(043)003【总页数】7页(P322-327,334)【关键词】聚丙烯腈;溶液纺丝;增塑熔融纺丝;性能【作者】田银彩;韩克清;余木火【作者单位】河南工程学院材料与化学工程学院,河南郑州450007;东华大学材料科学与工程学院,上海201620;东华大学材料科学与工程学院,上海201620;东华大学材料科学与工程学院,上海201620【正文语种】中文【中图分类】TQ342+.3聚丙烯腈(PAN)纤维是制备高性能碳纤维的一种主要的前驱体, 由于氰基之间存在强极性相互作用, 使得PAN的分解温度低于熔融温度. 因此, 商用的PAN基碳纤维原丝主要采用湿法或干湿法进行制备. 与熔融纺丝法相比, 溶液纺丝法必须进行溶剂的回收, 存在一定环境污染. 因此, PAN熔融纺丝的研究引起了国内外的广泛关注. PAN熔融纺丝的方法主要有非溶剂(主要是水)增塑法、溶剂(二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、乙腈与V-丁内酯混合溶剂)增塑法和共聚法(丙烯腈与能形成柔性链的单体共聚, 可以有效降低熔点)[1], 而采用水增塑的研究比较多[2-6].水增塑法由于难以对气压室进行连续控制, 所以在工业化生产时失败了. 因此, 有必要寻找一种具有低蒸气压, 不易挥发, 热稳定性良好, 易于回收且绿色环保的增塑剂. 近年来, 随着绿色化学的兴起, 离子液体的研究正在蓬勃发展, 最主要是由于离子液体可以满足上述对增塑剂提出的要求, 且离子液体还具有可设计性.笔者课题组采用离子液体作为增塑剂研究了PAN的熔融可纺性, 通过对增塑熔纺工艺、萃取牵伸工艺的优化, 获得了拉伸强度为7.38 cN/dtex的PAN纤维[7-9]. 该增塑熔融纺丝与干法纺丝类似, 但是通过低温冷却固化成形(传热), 没有溶剂的蒸发扩散, 工作条件好, 且设备比干法纺丝的简单；该法同时还具有干湿法纺丝的优点, 即挤出胀大效应与在凝固浴中发生的双扩散所引起的体积收缩效应分开进行.为了进一步优化增塑熔纺的纺丝和牵伸工艺, 提高PAN纤维的性能, 本文主要采用红外光谱仪(IR)、差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射(XRD)、小角X射线散射(SAXS)等方法对购买的由不同厂家采用溶液纺丝法制得的3种商用PAN原丝和采用增塑熔融纺丝法(简称熔纺)自制的PAN纤维进行结构和性能的比较.1.1 原料增塑熔纺所用的PAN粉末是丙烯腈 (AN)/丙烯酸甲酯 (MA)/衣康酸 (IA)共聚物, 上海金山石化, 黏均相对分子质量为=7.8×104；离子液体(ILs) 为1-甲基-3-丁基咪唑氯盐([BMIM]Cl), 上海成捷化学有限公司；购买的采用溶液纺丝法制备的PAN纤维分别编号为1#、 2#和3#.1.2 测试与表征采用美国Thermo Fisher公司Nicolet Nexus 670型红外光谱仪, 使用金刚石晶体单点衰减全反射附件对薄膜进行室温红外光谱测试, 扫描范围为4 000～500 cm-1.采用美国TA公司Q -20型差示扫描量热仪对不同公司的3个商用和1个自制的PAN纤维进行热分析. 以空的铝质坩埚作为参照物, 取5～10 mg样品放置于铝质坩埚中, 在氮气气氛下, 以10 ℃/min的升温速率从30 ℃升至380 ℃, 得到关于PAN样品的DSC曲线.采用美国TA公司的Q -800型动态热机械分析仪测试PAN纤维的玻璃化转变温度, 夹具类型选取薄膜夹具, 扫描模式为 Multi-Frequency Srain Temp Ramp, 温度范围为30～200 ℃, 升温速率为3 ℃/min, 频率为1 Hz，得到PAN样品的DMA曲线.采用东华大学制造的XD -1型纤维纤度仪测量纤维的线密度, 每个纤维样品取20个样测试, 并取平均值. 采用东华大学制造的XQ-1型纤维强伸度仪测量纤维的力学性能, 在对纤维施加0.1 cN的张力条件下进行测试, 上下夹持器之间的距离为20 mm, 牵伸速度为10 mm/min, 每种纤维样品测试20个样取平均值, 并得到其变异系数.在一束排列整齐的PAN纤维上涂上胶棉液待其风干后即完成制样. 将样品贴到样品台上, 然后采用日本RIGAKU的D/Max-2550 PC型X射线衍射仪来获得PAN 纤维样品的X射线衍射数据, 最后采用式(1)计算PAN纤维的取向度[10].其中: H 为赤道线上的Debye环(常用最强环)的强度分布曲线的半高宽, (°).将PAN纤维剪碎, 采用X射线衍射仪来获得PAN纤维的X射线衍射数据, 通过Peakfit软件进行分峰处理, 采用衍射峰的面积来表示非晶区和晶区的相对含量, 然后采用式(2)通过峰面积法[11]来计算其结晶度.其中: Wc为结晶度；Sc为结晶峰的面积；Sa为非晶峰的面积.在一束排列整齐的PAN纤维上涂上胶棉液待其风干后即完成制样. 将样品贴到样品台上, 在上海光源BL16B1实验站采集PAN纤维的二维X射线小角散射(SAXS)数据, 其中小角探测器采用Mar165型CCD, X射线的波长为0.124 nm, 曝光时间为40 s, 利用牛筋标定的探测器到样品的距离为5 050 mm. 最后采用FIT2D软件对数据进行处理.2.1 PAN纤维的化学结构不同PAN纤维样品的红外图谱如图1所示. 由图1可知, 聚合物中存在以下特征吸收峰: 波数在2 937 cm-1附近归属于CH2伸缩振动吸收峰, 在2 242 cm-1附近归属于腈基C≡N伸缩振动吸收峰, 在1 732 cm-1附近归属于饱和酯的O伸缩振动吸收峰, 在1 628 cm-1附近归属于N伸缩振动吸收峰, 在1 575 cm-1附近归属于C伸缩振动吸收峰, 在1 453 cm-1附近归属于CH2弯曲振动吸收峰, 在1 360 cm-1附近归属于CH弯曲振动吸收峰, 在1 071 cm-1附近归属于C-C单键的骨架振动吸收峰 [12-13].因此, 4种样品均为丙烯腈和甲基丙烯酸酯的共聚物, 而2#在波数1 732 cm-1附近出现归属于饱和酯的O伸缩振动吸收峰的强度较弱,表明该样品中丙烯腈的含量相对较高. 增塑熔纺PAN纤维在1 575 cm-1附近出现了C伸缩振动吸收峰. 文献[14-15]研究表明在100～250 ℃, PAN纤维内部氧化反应速率很低, 主要以环化、脱氢反应为主, 而增塑熔纺的温度为180～220 ℃, 这表明PAN纤维在增塑熔纺过程中发生了环化、脱氢反应.2.2 PAN纤维的热性能不同PAN纤维样品的DSC曲线如图2所示, 表1列出了PAN纤维特征放热峰的起始温度(ti)、放热峰温度(tp)、放热峰的终止温度(te)、放热峰起始温度与终止温度差(Δt).随着温度的升高, PAN纤维在预氧化过程中由于氰基的热聚合作用[16], 在这个过程中会释放出大量的热. 因此, 从图2可以看出, 在230～310 ℃出现一个放热峰. 但是由于组分和纺丝方法的不同, 放热峰的形状和大小也有一定的差别. 从表1可以看出, 增塑熔纺PAN纤维的起始放热峰温度(225 ℃)较低, 峰形比较宽, 起始和终止温度差(95 ℃)较大, 而且放热量较低, 这表明在预氧化过程中放热缓和, 易于控制. 1#和3#的起始温度分别为235和245 ℃, 起始温度与终止温度之间的温差都为75 ℃, 而2#的放热峰形比较尖锐, 起始和终止温度差为55 ℃. 这主要是因为2#中丙烯腈的含量相对较高, 含氧基团的含量较低, 热解反应属于自由基引发, 一旦引发, 反应瞬间完成[17]. 而对于丙烯腈共聚物, 其中含有酸类共聚单体, 所以热解反应属于阴离子引发, 反应一旦进行, 必经异构化形成亚胺结构, 所以这一过程使得整个反应的速度较慢[18].不同PAN纤维样品的DMA曲线如图3所示. 从图3可以看出, 增塑熔纺制得的PAN纤维的玻璃化转变温度要高于溶液纺丝制得的PAN纤维, 2#和熔纺PAN纤维的DMA曲线不同于其他2种PAN纤维, 分别在160和150 ℃左右出现一个肩峰. 出现这种现象的原因众说纷纭, 其中文献[19]认为115和160 ℃分别对应着有序区和无定型区的分子链段运动所需的温度, 无定型区分子链段运动所需的温度要高于有序区, 这主要是因为无定型区的分子链缠结密度较高.2.3 PAN纤维的力学性能不同PAN纤维样品的力学性能参数如表2所示. 从表2可以看出, 增塑熔纺制得的PAN纤维平均拉伸断裂强度高于其他3种商用PAN原丝的平均拉伸断裂强度.2.4 PAN纤维的微孔不同PAN纤维样品的二维SAXS花样图如图4所示. 从图4可以看出, 4幅图都没有明显的周期性散射, 沿赤道方向散射图形的长度大于沿子午线方向的长度, 而1#和增塑熔纺PAN纤维的散射图在赤道方向上呈现出比3#拉长且尖锐的散射条纹, 这表明纤维中微孔在轴向的长度较大且沿纤维轴向的取向程度也比较大.采用Ruland法来计算沿纤维轴方向微孔的长度和取向偏离度.具体操作部骤采用Wang等[20]的方法：(1)对PAN纤维的二维SAXS花样图进行空气背景的扣除；(2)沿垂直于赤道方向即平行子午线方向做切片，得到曲线，根据曲线求出半峰宽，即积分宽度；(3)采用公式(3)对积分宽度和赤道散射矢量进行线性拟合，求出斜率和截距.其中：BS3为积分宽度，nm-1； S12为散射矢量，nm-1；L为微孔长度，nm；Bf为沿纤维轴方向微孔的取向偏离度，(°).不同PAN纤维沿赤道方向积分宽度与散射矢量的关系如图5所示.具体结果列于表3. 从表3中可以看出, 2#中的微孔长度大于其他3种纤维, 而取向偏离度最小, 说明纤维的取向度较高, 与XRD测试的结果吻合. 与其他3个样品相比, 3#中微孔长度最小, 主要是由于其取向度低于其他3种PAN纤维.在处理数据时将微孔近似看为圆形, 采用逐次切线法获得的log I-q2的关系曲线图如图6所示. 从图6可以看出, 在最大散射角处对曲线做切线, 经过5次处理曲线近似变为一条直线, 这表明PAN纤维中微孔呈典型的多级分布, 然后将各条切线的斜率代入式(4)求出各级尺寸对应的回转半径,将微孔看作圆形，再采用式(5)求出微孔半径(r1, r2, r3, r4, r5), 具体结果如表3所示.从表3中可以看出, 增塑熔纺PAN纤维截面的微孔具有多级分布的特征, 微孔半径大约为1.0, 1.5, 2.6, 和4.0 nm, 较其他3种PAN纤维, 增塑熔纺PAN纤维的微孔半径最小. 这说明增塑熔纺PAN纤维横截面上的缺陷较少, 所承受拉伸力的有效横截面积增大, 纤维的断裂强度增大. PAN纤维中微孔的存在被认为是影响PAN 基碳纤维性能的重要因素. 因此, 为了提高材料的性能，对微孔结构的研究就显得尤为重要[20].(1) 4种PAN纤维样品均为丙烯腈和甲基丙烯酸酯的共聚物,而PAN纤维在增塑熔纺过程中发生了部分环化.(2) 增塑熔纺PAN纤维玻璃化温度高于其他3种PAN纤维, 放热峰型宽, 且起始放热温度低.(3) 增塑熔纺PAN纤维的拉伸断裂强度达到并超过3种商用PAN原丝的拉伸断裂强度；(4) 采用Ruland法计算沿纤维轴方向微孔的长度和取向偏离度, 采用逐次切片法计算微孔的半径, 结果表明,增塑熔纺PAN纤维中微孔的长度较大, 取向偏离度和微孔的半径尺寸较小.【相关文献】[1] 何翼云, 施祖培. 聚丙烯腈熔融纺丝技术进展[J]. 合成纤维工业, 1997, 20(6): 32-36.[2] MASSON J C. 腈纶生产工艺及应用[M]. 北京: 中国纺织出版社, 2004: 82-113.[3] FRUSHOUR B G. A new thermal analytical technique for acrylic polymers[J]. Polym Bull, 1981, 4(5): 305-314.[4] FRUSHOUR B G. Water as a melting point depressant for acrylic polymers[J]. Polym Bull, 1982, 7(1): 1-8.[5] FRUSHOUR B G. Melting behavior of polyacrylonitrile copolymers[J]. Polym Bull, 1984,11(4): 375-382.[6] MIN B G, SON T W, KIM B C, et al. Plasticization behavior of polyacrylonitrile and characterization of acrylic fiber prepared from the plasticized melt[J]. Polym J, 1992, 24(9): 841-848.[7] TIAN Y C, HAN K Q, YU M H, et al. Rheological behaviors of polyacrylonitrile melt using ionic liquids as a plasticizer[J]. Adv Mater Res, 2012, 476/477/478: 2151-2157.[8] TIAN Y C, HAN K Q, YU M H, et al. Influence of residence time on the structure of polyacrylonitrile in ionic liquids during melt spinning process[J]. Mater Lett, 2013, 92: 119-121.[9] TIAN Y C, HAN K Q, YU M H, et al. Influence of melt temperature on structure of polyacrylonitrile in ionic liquids during plasticized melt spinning process[J]. Appl Mech Mater, 2013, 268/269/270: 483-486.[10] 莫志深. 晶态聚合物结构和X射线衍射[M]. 北京: 科学出版社, 2010: 235-238 .[11] HINRICHSEN G. Structural changes of drawn polyacrylonitrile during annealing [J]. J Polym Sci, Part C: Polym Symp, 1972, 38 (1): 303-314.[12] VARMA S P, LAL B B. IR study on preoxidized PAN fiber[J]. Carbon, 1976, 14(4): 207-209[13] KAKIDA H, TASHIRO K, KOBAYASHI M. Mechanism and kinetics of stabilization reaction of polyacrylonitrile and related copolymers[J]. Polym J, 1996, 28(1): 30-34.[14] 侯志凌. PAN基碳纤维热氧化过程结构变化研究[J]. 科技创新与生产力, 2014(242): 109-110.[15] 张利珍, 吕春祥, 吕永根, 等. 聚丙烯腈纤维在预氧化过程中的结构和热性能转变[J]. 新型炭材料, 2005, 20(2): 144-150.[16] TURNER W N, JOHNSON F C. Pyrolysis of acrylic fiber in inert atmosphere[J]. J Appl Polym Sci, 1969, 13(10): 2073-2084.[17] AVILES M A, GINES J M. Thermal analysis of acrylonitrile polymerization and cyclization in the presence of N, N-dimethylformamide[J]. J Therm Anal Calorim, 2002,67(1): 177-188.[18] RYU Z, ZHENG J, WANG M, et al. Nitrogen adsorption studies of PAN-based activated carbon fibers prepared by different activation methods[J]. J Colloid and Interface Sci, 2000, 230(2): 312-319.[19] BASHIR Z. The hexagonal mesophase in atactic polyacrylonitrile: A new interpretation of the phase transitions in the polymer[J]. J Macromol Sci-Physics, 2001, B40(1): 41-67. [20] 盛毅, 张彩虹, 徐耀, 等. 二维小角X射线散射法研究PAN基炭纤维内部微孔结构[J]. 新型炭材料, 2009, 24(3): 270-276.。
聚丙烯腈基超细碳纤维毡的制备及其表征
化学试剂有限公司） ；高纯氮气 （ ． ９９ ９ ９％，上海 申
中工业气体有限公司） 。 ｘ一 线 衍 射 仪 （ ／ ｘ ２５ Ｃ， １ 射 ＤＭａ 一 ５ ０ Ｐ ３本
Ｒ Ｇ Ｋ ）， 微 量 注 射 泵 （４ ０ ０ ， ， Ｃ ｌ — ＩＡ Ｕ ７９ ０—００ ５ ｏ ｅ
美 国 Ｎｃｌ ） ｉ ｅ ，流 变 仪 ｏｔ （ Ｖ—ｍ ， Ｂｏ ｋ ｅ ，美 Ｄ ｒ ｆｌ ｏｉ ｄ
高压 嘉流 静 电发生器
维具有连续 、密实 、直径 分布均 匀等特 点 。近年 ， Ｙ ｕ ｇ［ 等用静 电纺丝制得 具有较好 电化学特性的 ｏｎ ７ １
收稿 日期 ：２０ －９ ０ 修 回 日期 ：２０ —０ １ ０９ ０— ４ ０９ １— ２
１ Ｐ Ａ ） Ｃ ，上海华东 试剂工 业供 销
织造布织物的专利 。
远远高于工业 上现 已商业化 的碳纤 维 ，但 它的实 际
强度很 低 ｉ ，不 利于 后续 的应用 。作为 高效 吸附 ａ ｒ ］ 材料活性碳纤维 的前躯体 ，超细碳 纤维 的强度对后
续的活化以及应用影 响很大 。 本论文 通过 静电纺 丝 、预 氧化 、碳化制备了不
研 究 论 文
聚丙烯腈基超 细碳纤维毡 的制备及其 表征
姜 正雄 ，余 阳 ，周 美 华 术 （ 华 大 学 环 境 科 学 与 工程 学 院 ，上 海 ２ １２ ） 东 ０ ６０
摘 要 ：采用静 电纺丝 法制备 了不 同黏 均 分子质量 （ １ 聚 丙烯腈 （Ａ ）超 细纤 维毡 ，并通过 ２０℃ ＭＪ的 ＰＮ ８ 预 氧化 和 ９ ０℃碳 化进 一 步 制备 超 细碳 纤维 毡 。讨 论 了 ０ 对 纤 维制 备 的影 响 ，发 现 Ｐ Ｎ的 眠 大 于 Ａ
聚丙烯腈基(PAN)碳纤维的性能、应用及相关标准
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 。Ｐ ＡＮ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
９ ％以上 ．成为最主要 的品种 。 ０
ｌ 国 内外聚丙烯腈基碳纤维的发展现状
１１国外发展现状 ．
进 行 了展 望 。
关键 词 ：碳纤维 ；聚丙烯腈 ；标准
Ａｂ ｔａ ｔ Ｐ ｓｒ ｃ ： ＡＮ． ａ ｅ ｒ ｏ ｂ ｒ ｓａｎ ｗ ｔｒａ ｔ ｘ ｅ ｔ ｎ ｌ ｃ ａ ｉａ ｒ ｐ ｒｙ Ｉ ａ ｅ ｎ ｅ ｔ ｎ ｉ ｅｙ ｂ ｓ ｄＣａｂ ｎ ｆ ｅ ｅ ｍａｅ ｉ ｌ ｈ ｅ ｃ ｐ ｉ ａ ｉ ｉ ｗｉ ｏ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｏ ｅ ｔ ． ｔ ｓｂ ｅ ｘ ｅ ｓｖ ｌ ｐ ｈ ａ ｐ ｉｄ ｉ ｖ ａ ｉ ｎ ｐ ｃ ｌ ｈ ， ｏ ｓｒ ｃ ， ｐ ｒｓ ａ ｔ ｍ ｏ ｉ ，ｍｅ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｃ ｆｅｄ ． ｂ ｉ ｆｒ ｖ ｅ ｏ ｅ ｐ ｌ ｎ ａ ｉｔｏ ，ｓ ａ ｅ ｆ ｇ ｔ ｃ ｎ ｔ ｔ ｓ ｏ ｔ ， ｕ ｏ ｂ ｌ ｅ ｉ ｕ ｅ ｄ ｃ ｌｔ ｔ ｎ ， ｔ ． ｌ ｓ Ａ ｒｅ ｉ ｗ ｆｔ ｅ ｉ ｅ ｈ ｅ ｏ ｕ ｉ ｎ ａ ｄ ｃ ｒｅ ｔｓｔ ａ ｉ ｎ ｏ ｅ Ｐ Ｎ— ａ ｅ ｒ Ｏ ｉ ｅ ｔ ｏ ｎ ｂ ｏ ｄ ｗｅ ｅ ｉ ｃｕ ｅ ． ｕ ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｔ ｅ ｖ ｌ ｔ ｎ ｕ ｒ ｎ ｉ ｔ ｆｔ Ａ ｂ ｓ ｄ Ｃａ ｂ ｎ ｆ ｒ ａ ｍｅ ａ ｄ ａ ｒ ａ ｒ ｎ ｌ ｄ ｄ Ｆ ｒｈ ｒ ｒ ． ｈ ｏ ｕ ｏ ｈ ｂ ｈ ｐ ｅ ａ ａ ｉ ｎ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ａ ｅ ｆｔ ｅ Ｐ ｒ ｐ ｒ ｔ ． ｔ ｔ ｒ ．ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｎ ｈ ｐ ｌ ｔｏ ｒ ａ ｏ ＡＮ． ａ ｅ ｒ ｏ ｂ ｒｗｅ ｅ ａ ｓ ｎ ｏ ｕ ｅ ． ｏ ｕ ｃ ｈ ｂ ｓ ｄ Ｃａ ｂ ｎ ｆ ｅ ｒ ｌｏ ｉ ｔ ｄ ｃ ｄ ｉ ｒ Ｉ ｔ ｒｅａ ｅ ｔ ｎ ａ ｄ ｎ ｓ ｅｈ ｄ ｒ ｐ ｃｆ ａ ｌ ｘ ｒ ｓ ｅ ． ｈ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｎ ｔ ｅ ｆ ｔ ｒ ｓｐ ｏ ｐ ｃ ｅ ． ｎ ｅ ｒ ｌｔ ｄ ｓａ ｄ ｒ ｓａ ｄ ｔ ｔ ｔ ｏ ｓ ｅ ｍ ｗｅ ｅ ｓ ｅ ｉ ｃ ｌ ｅ ｐ ｅ ｓ ｄ Ｔ ｅｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｕ ｅｗａ ｒ ｓ ｅ ｔ ｄ ｉ ｙ ｉ ｈ ｕ
聚丙烯腈基(PAN)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\应用及相关标准作者：陈蓉蓉王莘蔚来源：《中国纤检》2010年第11期摘要聚丙烯腈基碳纤维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和现状,PAN基碳纤维的制备、结构、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Abstract: PAN-based Carbon fiber is a new material with exceptional mechanical property. It has been extensively applied in aviation, space flight, construct, sports, automobile, medical treatment, etc. fields. A brief review of the evolution and current situation of the PAN-based Carbon fiber at home and abroad were included. Furthermore, the preparation, structure, performance and the application area of the PAN-based Carbon fiber were also introduced. Interrelated standards and test methods were specifically expressed. The development in the future was prospected.Key words: Carbon Fiber;Polyacrylonitrile;Standard碳纤维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,是新一代增强纤维。
聚丙烯腈基碳纤维布相关标准 -回复
聚丙烯腈基碳纤维布相关标准-回复聚丙烯腈基碳纤维布是一种具有高强度、高模量和耐腐蚀性能的纤维材料。
它广泛应用于航空航天、船舶、汽车、体育器材等领域。
为了确保产品质量，相关的标准在生产和应用中起着重要的作用。
本文将介绍聚丙烯腈基碳纤维布的相关标准，并一步一步回答中括号内的关键问题。
第一步：了解聚丙烯腈基碳纤维布的基本特性聚丙烯腈基碳纤维布是由聚丙烯腈基纤维经过高温炭化处理而成的材料。
它具有高强度、高模量、低密度和优良的耐腐蚀性能。
在应用中，它可以替代传统的金属材料，提高产品的性能，并降低重量。
第二步：了解聚丙烯腈基碳纤维布的相关标准聚丙烯腈基碳纤维布的相关标准包括材料标准、工艺标准和性能标准。
材料标准主要涉及原材料的选择和生产过程中的质量控制要求。
工艺标准主要关注生产工艺的规范和流程。
性能标准则用于评估产品的物理、力学和化学性能。
第三步：了解聚丙烯腈基碳纤维布的材料标准聚丙烯腈基碳纤维布的材料标准主要涉及原材料的选择和质量要求。
例如，标准可能要求使用特定品牌或类型的聚丙烯腈基纤维作为原材料，并对纤维的化学成分、纤度和其他物理性能进行限制。
此外，标准还可能要求严格的生产过程控制，以确保原材料的质量稳定。
第四步：了解聚丙烯腈基碳纤维布的工艺标准聚丙烯腈基碳纤维布的工艺标准主要关注生产工艺的规范和流程。
例如，标准可能要求严格控制纤维的炭化温度和时间，以确保产品具有一致的碳化程度。
此外，标准还可能要求严格控制纤维的纺纱、织造和热固化等工艺参数，以确保产品的外观和性能稳定。
第五步：了解聚丙烯腈基碳纤维布的性能标准聚丙烯腈基碳纤维布的性能标准用于评估产品的物理、力学和化学性能。
例如，标准可能要求测试产品的强度、模量、拉伸性能和耐热性能。
此外，标准还可能要求测试产品的耐候性、耐化学品性和电导率等其他性能。
第六步：总结聚丙烯腈基碳纤维布的相关标准在生产和应用中起着重要的作用。
通过遵循这些标准，可以确保产品具有稳定的质量和性能，提高产品的竞争力。
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1JIS R7601-1986碳纤维试验方法2JIS R7602-1995碳纤维织物试验方法3JIS R7603-1999碳纤维-密度的试验方法4JIS R7604-1999碳纤维-上浆剂附着率的试验方法5JIS R7605-1999碳纤维-线密度的试验方法6JIS R7606-2000碳纤维单纤维拉伸性能试验方法7JIS R7607-2000碳纤维单纤维直径及断面面积试验方法8JIS R7608-2007碳纤维-树脂浸渍丝拉伸性能测试方法9JIS R7609-2007碳纤维体积电阻率测试方法10JIS 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，也有自己的碳纤维力学性能测试内部规范，测试规范号和名称为TY-030B-01《碳纤维拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂延伸率测试方法》。
聚丙烯腈纤维国家标准
聚丙烯腈纤维国家标准
聚丙烯腈纤维，又称为腈纶，是一种合成纤维，具有优异的性能和广泛的应用
领域。
为了规范聚丙烯腈纤维的生产和使用，国家颁布了一系列的标准，以确保产品质量和安全性。
本文将介绍聚丙烯腈纤维国家标准的相关内容。
首先，聚丙烯腈纤维国家标准主要包括产品分类、技术要求、检验方法、标志、包装、运输和贮存等方面的内容。
其中，产品分类根据用途和性能特点进行划分，以便消费者选择合适的产品。
技术要求包括纤维的物理性能、化学性能、外观质量等方面的指标，确保产品符合国家标准的要求。
检验方法则是对产品进行检测和评定的具体方法和步骤，以保证产品质量可控可测。
标志、包装、运输和贮存等方面的要求则是为了保障产品在生产、销售和使用过程中的质量和安全。
其次，聚丙烯腈纤维国家标准的制定和实施对行业发展和产品质量具有重要意义。
一方面，国家标准的制定可以统一产品质量要求，提高产品质量水平，促进行业健康发展。
另一方面，国家标准的实施可以保障消费者的权益，防止不合格产品流入市场，确保产品质量和安全性。
因此，聚丙烯腈纤维国家标准的制定和实施对行业和消费者都具有积极的意义。
最后，作为聚丙烯腈纤维生产和使用的相关企业和个人，应当严格遵守国家标
准的要求，加强产品质量管理，提高产品质量和安全性。
同时，应当加强对国家标准的宣传和推广，增强行业从业人员和消费者的标准意识，共同维护行业的良好秩序和消费者的权益。
综上所述，聚丙烯腈纤维国家标准是保障产品质量和安全的重要依据，对行业
发展和消费者权益都具有重要意义。
各相关方应当共同遵守和执行国家标准的要求，共同维护行业的良好秩序和消费者的权益。
聚丙烯腈原丝碳丝指标
%
≤2.0
灰份含量
%
≤0.16
钠离子含量
ppm
≤100
断头率
%
≤3
连续长度
m
16000
纤维截面形态
——
圆形
聚丙烯腈基碳纤维指标（T300级）
项目
单位
指标
规格
——
1K、3K，有捻（捻度15±1捻/米）、无捻、去捻
拉伸强度
GPa
≥3.50
拉伸强度批次内离散系数
%
≤5
拉伸强度批次间离散系数
%
≤8
拉伸表观模量
——
与日本东丽T300相当（实测）
比热
kJ·kg-1·K-1
0.71（实测）
热传导率
W/M·K
≥11
线膨胀系数（轴向）
×10-6/℃
-0.7（实测）
比电阻率
Ω·cm
0.0016（实测）
纤维直径
μm
7~8
纤维截面形态
——
环氧AG80复合材料层间剪切强度
MPa
≥100
表面上胶厚度
GPa
≥230
拉伸表观模量批次内离散系数
%
≤3
拉伸表观模量批次间离散系数
%
≤5
断裂伸长率
%
≥1.5
断裂伸长率批次内离散系数
%
≤5
断裂伸长率批次间离散系数
%
≤8
线密度
g/km
1K：66±1
3K：198±2
体密度
g/cm3
1.76±0.01
碳含量
%
93~94
碱及碱土金属含量
ppm
≤50
聚丙烯腈碳纤维
未来，聚丙烯腈碳纤维在新能源、智能制造等领域的应用将得到进一 步拓展，为新兴产业的发展提供有力支持。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
聚丙烯腈碳纤维对酸、碱等化学物质具有较 强的耐腐蚀性。
抗氧化性
在高温和有氧环境中，聚丙烯腈碳纤维不易 被氧化。
良好的耐溶剂性
对各种有机溶剂，聚丙烯腈碳纤维表现出较 好的稳定性。
耐辐照稳定性
在强辐照环境下，聚丙烯腈碳纤维的性能不 易发生变化，具有较好的稳定性。
04 聚丙烯腈碳纤维的应用实 例
航空航天领域
05 聚丙烯腈碳纤维的未来发 展与挑战
新材料开发与性能提升
研发高强度、高模量、轻量化的聚丙烯腈碳纤维
通过材料改性、纳米复合等技术手段，提高聚丙烯腈碳纤维的力学性能和热稳定性，以满 足高端领域对高性能纤维的需求。
探索新型聚丙烯腈碳纤维的制备方法
研究新的合成路径和反应条件，降低生产成本，提高产量和纯度，实现大规模生产。
表面打磨
对碳纤维表面进行打磨处理，去 除表面的毛刺和不平整部分，提
高碳纤维与基体的结合强度。
03 聚丙烯腈碳纤维的性能特 点
力学性能
高强度
聚丙烯腈碳纤维具有极高的拉 伸强度，远超过其他纤维材料
。
高弹性模量
其弹性模量高，能够承受较大 的压力而不发生形变。
耐磨性
聚丙烯腈碳纤维具有较好的耐 磨性，能在复杂环境中保持其 性能。
在汽车领域，聚丙烯腈 碳纤维因其高强度和轻 质特性，被用于制造汽 车零部件，如车架、悬 挂系统等，提高了汽车 的燃油经济性和动力性 能。
在体育器材领域，聚丙 烯腈碳纤维因其轻质和 高强度特性，被广泛应 用于制造高尔夫球杆、 钓鱼竿、自行车车架等 运动器材，提高了运动 性能和安全性。
聚丙烯腈纤维执行标准
聚丙烯腈纤维执行标准是FZ/T54065-2012《聚丙烯腈基碳纤维原丝》。
FZ/T54065-2012中规定的聚丙烯腈基碳纤维原丝理化性能检测项目主要有线密度偏差率、线密度变异系数、断裂强度、断裂强度变异系数、断裂伸长率、断裂伸长率变异系数、溶剂残留率、含油率、筒重一共10个指标。
而需要注意的是，采用单丝法聚丙烯腈基碳纤维原丝在断裂强度、断裂强度变异系数、断裂伸长率、断裂伸长率变异系数这四个指标上要求更为严格。
详细指标要求可参考以下标准检测：•GB/T23442-2009《聚丙烯腈基碳纤维原丝结构和形态的测定》。
•FZ/T50032-2015《聚丙烯腈基碳纤维原丝残留溶剂测试方法》。
•FZ/T50043-2018《聚丙烯腈基碳纤维原丝含油率试验方法》。
聚丙烯腈基碳纤维的制备-表面处理
碳纤维表面处理之阳早格格创做碳纤维动做一种具备下强度下模量的进步资料，常常需要与其余基体资料举止复合造备成复合资料举履止用.由于碳纤维自己通过1300℃以上的下温处理，纤维中90%以上由碳元素组成，纤维表面活性官能团很少，具备较强的惰性，与下分子树脂等基体举止复适时，纤维与树脂的分离较好，效率纤维劣同力教本能的收挥，并最后效率复合资料的本能.果此正在碳纤维造备历程中，常常需要对付碳纤维举止表面处理，减少其表面的活性基团，巩固与树脂等基体之间的分离..1 表面处理要领由于碳纤维表面处理对付其复合资料本能普及的效率，果此表面处理要领的钻研也是碳纤维造备技能钻研的重面.通过多年的钻研，科研处事者启垦了多种对付碳纤维举止表面处理要领，表列出了不妨对付碳纤维举止表面处理的分歧要领及其效率果素.正在那些处理要领中，暂时应用正在工业化死产上的基础上皆是电解氧化法.表碳纤维表面处理要领战效率果素序号典型处理要领效率果素1 气相氧化O2、O3、NO2、NO、SO2、NH3、气氛、火蒸气/气氛、NO/气氛时间、温度、浓度、流量2 液相氧化HNO3、H2O、KMnO4、NaClO3、Na2Cr2O7/H2SO4、H2O2/H2SO4、NaClO3/ H2SO4、KMnO4/ H2SO4时间、温度、组成比率、3 电解氧化氨火、碳酸氢铵、H2SO4、HNO3、H3PO4、NaOH、KOH、NaCl、Na2CO3、NH4NO3、NaHCO3等火溶液时间、电压、电流稀度、电解量浓度4 催化氧化硝酸铜、醋酸铜、硝酸铅、硝酸亚铅、硝酸铁、硫酸铁、硝酸铋、钒酸盐、钼酸盐时间、温度、催化剂量5 电激励散合物涂层丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷时间、电压、电流、溶剂、单体浓度6 散合物电重积涂层苯乙烯、乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基甲基醚与马去酸酐共散物时间、电压、电流、溶剂、共散物离子浓度7 表面涂覆PV A、PVC、PAN、硅烷物，硬性散氨酯冰乌树脂组成含量、涂覆量8 下温气相重积SiC、TiC、TiO2、ErC、NiC、B、BN、NbC、TaC、石朱晶须、碳温度、时间、载气、试剂含量9 表面散合物接枝丙烯酸、丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈-苯乙烯、丙烯腈、同氰酸酯时间、氧化程度、接枝量、浓度10 等离子体处理O2、NH3、Ar、N2、气氛、SiC涂层、AN散合时间、真空度、功率、震动速度11 电子辐照γ射线等辐照剂量、时间.1.1 气相氧化法气相氧化法是将碳纤维表露正在气相氧化剂(如气氛、氧等)中，正在加温、加催化剂等特殊条件下使其表面氧化死成一些活性基团(如羟基战羧基).气相氧化处理不妨灵验普及碳纤维与基体间的界里剪切强度.如将碳纤维正在450℃的气氛气氛中氧化10分钟，所造备的复合资料的剪切强度战推伸强度皆有所普及；采与浓度为0.5-15mg/L的臭氧连绝导进碳纤维表面处理炉中举止表面处理，碳纤维的界里剪切强度可达78-105MPa；氧气气氛中用卤素、二氧化硫等搞压造剂，也可灵验革新表面个性.气相氧化法的便宜是较便当的正在线配套使用，处理速度快，缺面是对付碳纤维的处理匀称性不敷理念，工艺条件苛刻，统造艰易，简单对付碳纤维力教本能爆收较大的益伤，而且有毒有害气体的使用对付环境效率较大..1.2 液相氧化法液相氧化法是利用强氧化性液体大概者溶液，如硝酸、重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢、过硫酸钾等对付碳纤维举止表面处理，使其表面爆收羧基、羟基、羰基等含氧基团，进而达到巩固与树脂界里分离的脚法.由于液相氧化法较气相氧化法较为温战，氧化程度较简单统造，阻挡易使纤维爆收太过氧化效率其力教本能，是钻研较多的要领之一.然而该要领由于处理时间较少，很易与碳纤维死产线匹配，通时常使用于碳纤维的间歇表面处理，而且强氧化性液体对付设备腐蚀宽重，也不利于从碳纤维中扫除搞洁..1.3 催化氧化法催化氧化法是利用金属盐类对付碳纤维举止催化氧化，该要领不妨灵验普及表面处理速度，然而由于碳纤维与催化剂很易匀称交战，其氧化匀称性受到效率，而且也存留催化剂扫除艰易的问题.该要领基础只停顿正在钻研阶段..1.4 散合物涂层法电激励散合物涂层、散合物电重积涂层、表面散合物接枝战表面涂覆等要领皆是正在碳纤维表面引进一薄层散合物膜，进而达到与基体树脂匹配的效验.其中电激励散合物涂层、散合物电重积涂层皆是利用碳纤维自己具备导电性的个性，正在电场的效率下正在碳纤维表面激励散合大概者重积散合物，进而引进活性基团，普及与基体树脂的界里分离.表为分歧涂层典型对付碳纤维复合资料本能的效率.通过电化教涂层改性后，碳纤维复合资料的层间剪切强度战抗直强度皆比已处理时有明隐普及，而且正在一些条件下还不妨普及抗冲打强度.然而是那些要领自己本去不真真改变碳纤维表面结构，果此基础不会对付碳纤维力教效率爆收明隐效率.共时根据基体树脂的个性采用符合的单体大概者散合物，不妨较佳天达到普及复合资料本能的脚法.涂层薄度战匀称性统造是那些要领的易面.表电化教涂层对付碳纤维复合资料本能的效率涂层典型层间剪切强度/MPa抗冲强度/kJ/m2抗直强度/MPa马去酸酐/苯乙烯=1：1 68 57 1100 马去酸酐/苯乙烯=2：1 59 72 1100 马去酸酐/苯乙烯=3：1 62 56 1000 马去酸酐/己烯=1：1 61 42 1000 马去酸酐/十八烯=1：1 52 44 910 马去酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量50万）48 86 900 马去酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量75万）59 130 950 马去酸酐/甲基乙烯基醚=1：1（分子量125万）54 140 860 已处理34 63 780下温气相重积是正在下温条件下将碳化硅、石朱晶须等重积到碳纤维表面，所重积的物量对付树脂起到物理锚定效率，进而减少碳纤维与树脂之间的分离.该要领不妨小批量处理碳纤维，然而真动工业化死产较为艰易..1.5 等离子体法等离子体是具备脚够数量而电荷数近似相等的正背戴电粒子的物量汇集态.用等离子体氧化法对付纤维表面举止改性处理，是指利用非散合性气体对付资料表面举止物理战化教效率的历程.采与矮温等离子大概微波等离子对付碳纤维举止表面处理也是止之灵验的要领，该要领的个性是气一固反应，无传染，处理时间较短，常常几秒钟便不妨达到所需处理效验.等离子体所用气体不妨是活性气体（如氧、氨气、一氧化碳等），也不妨是惰性气体，如氦气、氮气战氩气等.时常使用的氧等离子体具备下能下氧化性，与碳纤维表面碰碰时，不妨将碳纤维微晶棱角、边沿战缺陷等处的碳碳单键结构氧化成含氧活性基团.表为分歧等离子体对付碳纤维处理效验的比较，证明氧等离子体较惰性气体等离子体的劣势.然而是，等离子体的爆收需要一定的真空环境，所以设备搀纯，连绝、宁静战万古间处理具备一定的艰易.表分歧等离子体对付碳纤维处理效验比较等离子体羰基含量酮基含量醚键含量表面碳含量/%表面氧含量/%表面氮含量/%ILSS/MPa氧等离子体氮等离子体氩等离子体.1.6 电解氧化法电解氧化法也成为阳极氧化法，是将碳纤维动做阳极，石朱板动做阳极，正在电解量火溶液中施加曲流电场举止电解氧化处理，使碳纤维表面爆收计性官能团的处理要领.电化教氧化反应条件慢战, 处理时间短，工艺设备较为简朴，可与碳纤维死产线贯串战匹配真止工业化死产.通过统造电解温度、电解量含量战含量、电流稀度等工艺条件不妨真止对付氧化程度以及纤维表面官能团天采用性统造.电解氧化法是暂时碳纤维工业化死产中被广大应用的要领.图9为阳极氧化法对付碳纤维举止表面处理的工艺过程示企图.图9 阳极氧化法工艺过程示企图正在阳极氧化表面处理时由于以碳纤维自己动做阳极，果此正在施加一定电流后，电解液中含氧阳离子正在电场效率下背碳纤维移动，正在其表面搁电死成新死态氧，既而使其氧化, 死成羟基、羧基、羰基等含氧官能团, 共时碳纤维也会受到一定程度的刻蚀,使得碳纤维自己的表面物理结构爆收变更.采与电化教氧化法, 合理采用电化教氧化拆置是包管真施碳纤维有良佳的表面处理效验的前提条件.正在采用电化教氧化拆置时,要思量的果素包罗阳极的资料、电解量战电流的采用.阳极资料既要导电, 又要耐腐蚀.石朱板具备良佳的导电本能战耐腐蚀性, 正在工业化死产中被广大应用.电解量可用酸、碱大概盐类，如硝酸、硫酸、磷酸氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸钾、硝酸钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸二氢铵等.对付于酸性电解量，火被电解死成的氧本子被碳纤维表面的不鼓战碳本子吸附，并与相邻吸附氧的碳本子相互效率而爆收二氧化碳，进而使石朱微晶被刻蚀.边沿与棱角的碳本子数目缩小，是表面官能团减少的一个要害果素；对付于碱性电解量，氢氧根离子被碳纤维表面的活性碳本子吸附，并与相邻吸附氢氧根的碳本子相互效率而死成氧，进而减少了表面活性碳本子数目.阳极表面处理常常采与曲流电，也有报导采与接流电举止处理，较小的电量不妨得到灵验的处理效验.表为分歧电解量正在10mA/mg电流下阳极氧化处理10分钟后碳纤维表面弛力、极性的变更.表分歧电解量系统对付阳极氧化表面处理效验的效率电解量γ/mN/m γp/mN/m γd/mN/m X p已处理K2CO3/KOHK2HPO4/KOHKHCO3/KOHKH2PO4/KOHNaHSO4/NaOHKHSO4/KOHK2SO4/KOHKNO3/KOHKClO4/KOH.1.7 下能量电子辐照近些年去，下能量电子辐照技能也被用去动做碳纤维表面处理的脚法.下能量电子辐照常常采与Co60γ射线，辐照剂量从几十到几百kGy.由于γ射线具备极下能量（1.17战1.33MeV ）,具备极强的脱透性，果此不妨正在所有温度下无需催化剂存留条件下正在气、固、液资料中激励化教反应，具备无传染、节能等便宜，而且对付碳纤维还不妨正在支卷后举止，大概者对付碳纤维织物举止间接处理，而无需思量织物大小、形状、薄度等.图5.40为利用γ射线对付碳纤维举止处理的拆置示企图.图1为分歧剂量γ射线辐照后碳纤维的表面形貌变更，不妨瞅出辐照后碳纤维表面形貌爆收了很大变更，符合剂量的辐照使得纤维表面沟槽变细变多，有好处IFSS的普及.图5.40γ射线处理碳纤维拆置示企图图1 分歧剂量γ射线处理后碳纤维的表面形貌.2 表面处理效验评介.2.1 表面形貌分解碳纤维通过表面处理后，由于物理、化教及涂层的效率，其表面形貌必定爆收改变.扫描电子隐微镜（SEM）不妨比较曲瞅天反应碳纤维表面处理后表面形貌的变更.采与本子力隐微镜（AFM）不妨瞅察到1μm2天区碳纤维三维坐体形态结构，共时不妨给出表面细糙度的统计数据.图2 为分歧电解量阳极氧化处理后纤维的形貌，不妨创造通过表面处理后，碳纤维表面沟槽有所缩小.通过AFM谱图的表面细糙度分解，通过电化教氧化表面处理后，纤维的表面细糙度由于物理化教的刻蚀效率有明隐落矮（图3）.图2 分歧电解量阳极氧化处理后纤维的形貌.图3碳纤维的表面AFM图（a:已处理b:碳酸氢铵处理c: 碳酸铵处理d: 磷酸铵处理）.2.2 表面官能团分解通太过歧表面处理的碳纤维，其表面含氧官能团主要有羧基、羟基战羰基.碳纤维表面的含氧官能团不妨用X-射线电子能谱（XPS）、热得重分解（TGA）、电位滴定、酸碱滴定等举止分解.XPS不妨检测碳纤维表面含氧官能团的种类、浓度等，是一种较为敏捷、稳当的要领.普遍通过对付XPS谱图的分峰处理，以O1s/C1s去评介处理效验，共时通太过峰处理，还不妨得到羟基、羧基、羰基等的相对付含量.表为通太过歧条件处理后碳纤维C、O、N等元素的摩我分数，不妨瞅出通过处理后通过表面处理后，纤维表面C 含量落矮，O战N含量普及，O/C战N/C均普及.图4为碳纤维表面XPS谱图及其分峰示企图，其中284.6eV为C-C 的分离能，286.6eV为C-OH的分离能，288eV为C=O的分离能，291为羧基的分离能.碳纤维由于戴有含氧官能团，果此正在真空大概者惰性气氛下，碳纤维的热得重与含氧官能团的数量稀切相闭.普遍正在300-600℃下得重为羧基裂解爆收的CO2，正在600-1000℃下得重为羟基、羰基裂解爆收CO，果此通过TGA分解，不妨定性分解表面处理效验.表碳纤维表面C、O、N等元素摩我分数处理时间C1s/% O1s/% N1s/% O/C N/C已处理90s120s150s图4 表面处理后碳纤维XPS谱图及分峰处理.2.3 表面微晶结构分解碳纤维经表面处理后，由于纤维表层氧等的分离以及刻蚀效率，纤维表层石朱化程度落矮，石朱微晶变小.由于推曼光谱分解中激光对付碳纤维的脱透深度为几十纳米，对付纤维举止推曼光谱尝试也是灵验表征碳纤维表层石朱化程度变更.通过表面处理之后, D 峰战G峰均有一定程度的分启，半下宽减小, 而且二峰的推曼峰位背下波数沉微偏偏移（图5）.图5 表面处理后碳纤维的推曼光谱及其分峰处理XRD是钻研碳纤维汇集态结构最时常使用的要领.将碳纤维磨成粉终举止XRD扫描可正在一定程度表征由于纤维表层石朱晶体结构变更引起的完全晶体结构的变更，然而那样无疑落矮了尝试的敏捷度.利用XRD表征碳纤维表面处理效验需要采与其纤维附件对付纤维完全举止XRD尝试，通过比较处理前后的纤维晶体结构变更去间接衡量处理效验..2.4 表面能分解碳纤维表面处理后，表面能减少，能隐著革新碳纤维与火、有机溶剂以及基体树脂之间的潮干性，使交战角缩小.表面能的测定常常通过测定交战角，再根据极化圆程去预计.那种要领所用仪器简朴、支配烦琐，是测定碳纤维表面处理后潮干性变更的一种灵验要领.表为表面处理前后碳纤维浸润性战交战角的变更.图6为分歧表面处理后碳纤维的交战角变更，对付于已处理的碳纤维战石朱纤维，测得的交战角分别为104战115o.随表面处理时间延少，潮干性普及，交战角缩小.表碳纤维表面浸润性变更已处理等离子体阳极氧化浸润删量/mg交战角θ/o图6 分歧表面处理后碳纤维表面交战角的变更.2.5 与树脂分离本能分解碳纤维表面处理效验最间接灵验的表征要领是层间剪切强度（ILSS）大概者界里剪切强度（IFSS）的尝试.碳纤维的层间剪切强度尝试要领按国标GB3357-82举止，尝试样品纤维体积含量60%安排，尺寸为少*宽*薄=10mm*5mm*2mm，尝试跨距5mm，加载速度10mm/min，每个样品尝试10次，与仄衡值.ILSS预计公式为：其中P为断裂背荷，b为样品宽度，d为样品薄度.IFSS数值与所用树脂体系、纤维体积含量、单背板纤维排布、清闲率等稀切相闭.采与环氧6101树脂体系，常常碳纤维的ILSS应达到90MPa以上，而采与环氧AG80体系，ILSS则应正在120MPa以上.该要领是对付碳纤维处理效验最间接灵验的评介，然而对付样品造备央供较下，需要碳纤维样品量较多.界里剪切强度IFSS是其余一种不妨曲瞅表征碳纤维表面处理效验的参数.普遍以纤维单丝形式举止尝试，并利用数教模型预计得到纤维战树脂之间的IFSS.尝试要领有单丝断裂法、单丝拔出法、微脱粘法、单丝顶出法等，那些要领的便宜是所需样品量少，然而尝试得到的IFSS值受样品造备、数据剖析等的效率较大，分歧要领得到的数值好别较大.单丝断裂法是将一根纤维埋进树脂中造成推伸试样，通过对付试样举止推伸，纤维正在试样中爆收碎裂，利用纤维强度战碎裂少度预计IFSS.该要领是鉴于单纤维复合资料正在蔓延历程中，当复合资料蔓延率达到纤维断裂蔓延率时，纤维爆收断裂.当纤维-基体界里爆收益害，推伸应力将不克不迭传导到纤维上，纤维断裂终止，断裂少度达到鼓战时纤维少度为临界少度.界里剪切强度由纤维临界少度、纤维曲径战纤维的推伸强度预计得到.单丝拔出法是将纤维单丝一端埋进树脂中，利用单丝推伸设备将纤维从树脂中拔出，通过拔出应力以及纤维曲径、埋进深度预计IFSS.单丝拔出法的样品造备极为闭键，过少的包埋深度常引导纤维正在受推历程中自己断裂而不是纤维从基体中拔出, 所以埋置深度一定要小于rσ/(2τ) , 其中σ为纤维抗推强度, r为纤维半径,τ为界里剪切强度，而太短又效率尝试的准确性.微脱粘法是将树脂滴正在碳纤维单丝上产死树脂微球，利用钳心卡住树脂微球而对付纤维举止推伸处理，使纤维从微球中脱粘拔出.正在脱黏历程中沿碳纤维/树脂基体产死的界里目标上爆收剪切应力，界里剪切强度预计公式为τ=F/πD f Le.式中τ为复合资料界里剪切强度，F为小球爆收脱黏时最大载荷，D f为碳纤维曲径，Le为埋进少度.埋进少度过少，纤维/树脂间剪切强度超出了碳纤维单丝强度，此时碳纤维爆收断裂与代微球脱黏成为主要的益害办法；而埋进少度过矮，树脂基体正在碳纤维表面铺展时产死的微球曲径小，上下剥离刀片产死的钳心易以夹持，尝试时易滑脱.果此，使用微脱黏法测界里剪切强度时，采用尝试微球的曲径宜统造正在40～80 μm.利用微脱黏法测得复合资料的界里剪切强度数值具备较大的分别性，那与纤维表面产死树脂微球的半月板天区、脱黏历程中上下刀片产死的钳心及碳纤维表面形态结构等果素有闭.单丝顶出法使用脆硬的金刚刚石压头将碳纤维从树脂中压出，界里剪切强度预计公式为τ= F/ ( 2πRL )，其中τ为复合资料界里剪切强度，F为顶出载荷，R为碳纤维半径，L 为顶出距离.正在顶出历程中思量的果素较多（如残存应力、摩揩果子等），存留主要问题是顶出历程中正在笔曲于滑移目标爆收的侧背力数值易以预计..3 表面处理对付碳纤维本能的效率碳纤维通过表面处理后最间接的效率是普及了纤维与树脂间的界里分离本能，不妨使得复合资料的剪切强度有明隐普及.常常碳纤维通过表面处理后，由于物理化教的刻蚀等本果，碳纤维强度会有所落矮，特天是正在处理程度较下时，纤维强度下落明隐.也有报导通过符合表面处理后，由于表面刻蚀使得纤维表面缺陷尺寸缩小，碳纤维强度不妨有一定普及.碳纤维的表面处理常常对付模量基础不效率.对付与阳极氧化表面处理，由于碳纤维正在阳极氧化历程中动做阳极，通电时纤维表面匀称搁出氧气，随电流稀度减少，相映的氧气搁出量减少使碳纤维上的单薄面受到刻蚀，纤维强度出现落矮.表为碳纤维通过阳极氧化后单丝强度及品量变更.电流稀度小于5mA/cm2时，纤维强度基础稳定，电流稀度继承减少，纤维强度有一定下落.碳纤维通过表面处理后，纤维品量出现耗费，随着电流稀度的普及，品量益坏删大.表碳纤维通过阳极氧化后的单丝强度及品量变更电流稀度/mA/cm2推伸强度/GPa CV/% 品量益坏/%0 0510利用等离子体举止表面处理使得碳纤维强度普及有较多报导.表为几种分歧碳纤维通过等离子体表面处理后碳纤维本能的变更.等离子体表面处理后碳纤维强度普及大概是由于纤维表面细晶化效率及表面缺陷细化的截止.表几种分歧碳纤维通过等离子体表面处理后碳纤维推伸本能样品推伸强度/MPa 断裂伸少/%Hercules allylcyanide 100W,5min 3460Hercules allylcyanide 200W,5min 3430Hercules allylcyanide 300W,5min 3780Grafil untreated 3340Grafil allylcyanide 100W,5min 3820Grafil allylcyanide 200W,5min 3950Grafil allylcyanide 300W,5min 3650Grafil xylene/air/argon 200W,20min 3350碳纤维通过表面处理后其电本能也会所变更.由于通过表面处理后，纤维中有一部分碳元素被氧化成羟基、羧基战羰基.氧本子上戴有部分背电荷，而碳本子上戴有部分正电荷.戴有正电荷的碳本子能俘获电子，对付电子的迁移有阻拦效率，进而落矮碳纤维的导电性.。
聚丙烯腈碳纤维
起始反应
增长反应
结合反应
终止反应
歧化反应
链转移反应 单体转移
溶剂转移
聚丙烯腈碳纤维
聚 合 反 应 及 聚 合 体 特点
终止速率常数（Kt）随着温度变化最敏感，每提高1 ℃,Kt值增加2-3倍，在n=2000左右时，PAN Mw/Mn﹥2的 倾向性特别大。
由于－CN基团的高度极性，-CN与各种Me+络合能力很大， 高纯化难度大，容易形成间规结构，给下一步预氧化和 碳化带来一系列困难。
由于伸展扭结的PAN链不能装入直径为 0.6nm的圆筒内，于是一些氰基伸出圆筒外， 这些氰基以逆平行方向取向，使链间产生吸引 力，形成“侧向键合”,从而产生相当高的结晶度 。
聚丙烯腈碳纤维
PAN这种二维结晶形态，与液晶相似。液晶 的刚性棒状分子堆积形成的也是二维有序结构 。
因此，“初生纤维的凝聚态结研究，纤维 晶区取向结构与非晶区特征结构”“复杂外场对 纤维晶区取向结构和非晶特征结构间的关联性” “聚合物链结构、溶胶-凝胶转化过程中PAN纤维 结构的形成和后续过程中复杂外场下结构的演 变规律”等研究，应该针对PAN纤维的准晶特征 展开。
聚丙烯腈碳纤维
易于纺丝.
引入共聚单体的作用
增加聚合物的溶解性和可纺性 改变环化机理(自由基离子机理) 降低环化温度、放热峰变宽 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 可能引入更聚丙烯多腈碳的纤维 无机杂质和有机杂质
共聚单体结构
酸性单体: IA/AA… 改善预氧化过程.
中性单体: MMA/BA… 1)改善可纺性. 2)提高氧扩散能力 改善预氧化过程.
聚丙烯腈碳纤维
聚丙烯腈基碳纤维（PANCF）
最全面应用面最广 生产规模最大 需求量最大（70％-80％） 发展最快 性能最佳
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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，也有自己的碳纤维力学性能测试内部规范，测试规范号和名称为TY-030B-01《碳纤维拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂延伸率测试方法》。
美国与碳纤维性能测试密切相关的标准为ASTM D4018-2011《连续碳纤维和石墨纤维束性能的测试方法》，其他线密度、密度等沿用纺织纤维、碳黑、塑料等标准进行（表5.31）。
欧洲也针对碳纤维特点制定了相关性能测试方法的标准（表5.32）。
表5.31 美国碳纤维性能测试相关标准序号标准号中文标准名称连续碳纤维和石墨纤维束性能的测试方法1 ASTMD4018-20112 ASTM采用密度梯度法测试塑料密度的测试方法D1505-20103 ASTM纺织纤维线密度的测试方法D1577-20074 ASTM炭黑碳含量的测试方法D7633-20135 ASTM D482-2007 石油产品灰分的测试方法纺织品中可萃取物的测试方法6 ASTMD2257-19987 ASTMD4102-1982 碳纤维的耐热氧化性的试验方法表5.32碳纤维性能测试欧洲标准序号标准号中文标准名称1 ISO10618-2004 碳纤维.树脂浸渍纱线拉伸特性测定2 ISO10548-2003 碳纤维.尺寸的测定3 ISO10119-1992 碳纤维.密度测定4 ISO10120-1991 碳纤维.线性密度的测定5 ISO10548-2003 碳纤维.胶料含量的测定6 ISO11567-1996 碳纤维.长丝直经和横截面积的测定7 ISO11566-1996 碳纤维.单丝样品抗拉性能的测定8 ISO13002-2-1999 碳纤维长丝纱.试验方法和通用规范我国的碳纤维力学性能测试标准主要参考日本和美国的标准进行制定，在一些细节和可操作性方面需要进一步提高。
随着我国碳纤维研究和生产水平的提高，我国碳纤维性能测试也逐渐形成了标准体系（表5.33）。
目前我国碳纤维性能测试标准存在两个体系，一个是以GB/T 3362为核心的碳纤维复丝拉伸性能试验方法，基本满足了我国常规碳纤维力学性能的测试，但存在标准在一些方面还需要进一步改进，该标准同时规范了包括线密度、体密度、上浆剂含量的测试方法。
另一个是以GB/T26749为核心的碳纤维性能测试标准，在性能测试方面有了较完整的标准体系。
表5.33我国碳纤维性能相关测试标准序号标准号标准名称1 GB/T3362-1982 碳纤维复丝拉伸性能试验方法2 GB/T3362-2005 碳纤维复丝拉伸性能试验方法3 GB/T3364-2008 碳纤维直径和根数试验方法4 GB/T3366-1996 碳纤维增强塑料纤维体积含量试验方法5 GB/T3855-2005 碳纤维增强塑料树脂含量试验方法6 GB/T26749-2011 碳纤维浸胶纱拉伸性能的测定7 GB/T30019-2013 碳纤维密度的测定8 GB/T29762-2013 碳纤维纤维直径和横截面积的测定9 GB/T29761-2013 碳纤维浸润剂含量的测定10 GB/T23442-2009 聚丙烯腈基碳纤维原丝结构和形态的测定11 GB/T26752-2011 聚丙烯腈基碳纤维12 QJ3074-1998 碳纤维及其复合材料电阻率测试方法13 GB18530-2001 车间空气中碳纤维粉尘职业接触限值5.5.2 碳纤维单丝力学性能测试单丝力学性能测试可以较为简单快速的得到碳纤维拉伸力学性能，需要样品量少，通常十厘米左右的纤维样品就可以完成对碳纤维的力学性能表征，因此在早期应用较为普遍。
由于单丝力学性能测试结果存在人为影响较大、性能离散值较高等缺点，目前逐渐为束丝力学性能测试方法所取代。
对于碳纤维单丝力学性能测试，JIS R7601-1986和ISO11566-1996进行了详细的规定，包括制样、测试、试验次数等。
以JIS R7601-1986为例，对于单纤维的拉伸强度测试，需要将单根纤维从纤维束中抽出，并将其固定在试验用底纸上，用于固定单根纤维的底纸标准规定的形式如图5.51，以确保拉伸试验时纤维标距为25±0.5mm。
测试是拉伸速度为0.5-10mm/min,以断裂时力值与单丝截面积计算拉伸强度，在断裂力值20%-60%拉伸-形变曲线部分以断裂力值的20%-30%计算模量值。
模量计算采用如下公式：其中E：拉伸弹性模量，N/mm2；ΔP为载荷增加量，N；A：试验片的截面积mm2；L：试验片长度，mm；ΔL：伸长量，mm；K：装置柔量校正系数，mm/N。
图5.51 单纤维固定用底纸装置柔量校正系数需通过不同标距测试，以断裂伸长/断裂力值对标距作图，延长到标距为零时的断裂伸长/断裂力值为装置柔量校正系数。
在计算拉伸强度和模量时，纤维截面积可以采用激光法、显微镜法、纤度和线密度计算法等。
对于试验次数，标准给出了详细的规定。
试验次数的确定首先需进行30次试验计算出变异系数，并根据试验要求的概率和精确度的要求，通过图5.52或5.53决定。
利用预先进行的试验结果，算出的平均值和标准偏差对应上述计算图，将其连接为一条直线，延长直线求出变动系数，将此变动系数与所定的精度连接为一条直线，延长直线与所定概率的刻度相交，求出试验次数。
如预先进行的试验结果平均值为35，标准偏差2.5，则变异系数为7.1%，所需试验精度为2.0%，则在95%概率下试验次数为51次，99%概率下试验次数为86次。
图5.52 试验次数确定图Ⅰ图5.52 试验次数确定图Ⅱ5.5.3 碳纤维束丝力学性能测试碳纤维的束丝力学性能测试，是将一束碳纤维作为整体进行拉伸测试，从而获得碳纤维的拉伸强度、拉伸模量以及断裂伸长率。
碳纤维的束丝力学性能测试的关键是在测试时丝束内所有纤维同时受力并发生断裂，因此需要对碳纤维进行上胶制样。
碳纤维复丝力学性能测试必须首先用高分子树脂对纤维束中的进行固定，因此需要采用浸渍树脂对纤维进行浸渍处理。
通常采用的浸渍树脂为环氧树脂的丙酮溶液。
为了确保浸渍均匀，必须保证树脂或者树脂溶液的粘度。
对固化后树脂，各标准都给出了相类似的要求，以日本标准为例，标准要求树脂固化后的最大变形，在碳纤维的拉伸形变的2倍以上，最好是3倍。
通常碳纤维性能测试标准都对测试环境的温湿度有着较严格的规定，但对于浸渍过程环境的温湿度并没有作相应规定，而研究发现，在对碳纤维进行树脂浸渍过程中，环境的温湿度，特别是湿度对最终碳纤维性能测试结果有着重要影响，环境湿度在大于50%时，所制备的样条在进行测试是断裂形式呈现多样化非正常断裂，使得测试结果偏低。
关于制样，可以采用人工或者机器进行上胶、烘干制样，所得到的样品须平滑无明显的胶滴。
样条固化后树脂含量通常为35-60%。
日本标准推荐了自动制样装置示意图如图5.53所示。
东丽公司TY-030B-01《碳纤维拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂延伸率测试方法》推荐的自动制样装置如图5.54，制样温度为25-30℃，制样张力100-200g/束，制样速度7m/min。
所制的样条树脂含量需要在30%以上。
图5.53 标准推荐的制样装置图5.54 东丽内部规范自动制样装置为了在测试时能够对试样进行很好的夹持，通常试样两端需要用加强片进行加强。
加强片可以采用各种材料，如衬纸、金属板、树脂浸渍玻璃纤维布、铸型热硬化树脂、热塑性树脂等。
图5.54为一种热塑性树脂加强片的形式，图5.55为金属加强片。
图5.54 热塑性树脂加强片图5.55 金属加强片在进行力学性能测试时，通常的标准规定的标距长度为150±5mm，或者200±5mm；没有附有加强片的试验片的场合，全长250±5mm，或者300±5mm，在采用引伸计测碳纤维模量时，纤维长度至少为引伸计长度的3倍。
测试样品数量方面，一般要求至少4个正常断裂的试样。
测试过程的拉伸速度不同标准规定不尽相同，GB/T3362规定的拉伸速度为1-20 mm/min，ASTM D4018和JIS7608为不超过250 mm/min，而日本东丽公司内部测试规范为30-60 mm/min。
对于拉伸速度的规定，GB/T 3362是所有标准中最小的。
我国测试人员在实践中发现，对于通常碳纤维来说，拉伸速度对测试结果影响不大，为提高测试效率，因此可以适当放宽测试中的拉伸速度范围。
对于模量的测试，推荐使用引伸计，引伸计的量规长，最低50mm，最好是100mm。
引伸计线性允许误差在0.1%以下。
可以使用机械式、光学式或者是激光式的变形测量仪。