知识点四碳纤维资料
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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。
高分子材料专业 聚合物复合材料
以PAN（聚丙烯腈）为原料制造碳纤维
❖ 目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料 来制造的。
知识点三 碳纤维
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
主要内容
❖4.1 碳纤维概述 ❖4.2 碳纤维的特点和分类 ❖4.3 碳纤维的制备与性能 ❖4.4 碳纤维的应用和发展前景
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
4.1 碳纤维概 述
4.1.1 碳纤维的定义
碳纤维是由90%以上的碳元素组成的一种高性能增强纤 维。是有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是 一种非金属材料。 ❖ 碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构规整性稍差。
❖ 1970年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维的工业规模生 产；
❖ 1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维投放市场。
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
❖ 1988年，世界碳纤维总生产能力为10054吨/年，其中聚丙 烯腈基碳纤维为7840吨，占总量的78％。日本是最大的 聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力约3400吨/年，占总 量的43％。
➢ 碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。
高分子材料专业 聚合物复合材料
一般以有机纤维为原料制造CF的过程：
有机纤维
预氧化处理
高温碳化
原丝
❖ 原丝的选择条件：
强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。
❖ 基本条件：
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
知识点四 碳纤维
4.2.2 碳纤维的分类
按原丝类型
CF分类方法
按碳纤维性能 按碳纤维的功能 按制造条件和方法
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
按原丝类型分类
聚丙烯腈基 粘胶基 沥青基 木质素纤维基 其他有机纤维基
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
按碳纤维 性能分类
通用级CF：拉伸强度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa
❖ CF制造过程中最主要环节： 原丝制备； 原丝预氧化； 预氧化丝碳化或进一步石墨化
高分子材料专业 聚合物复合材料
丙烯腈 共聚单体 引发剂
基本工艺流程
聚合
纺丝
PAN
湿纺
干湿纺
PAN 纤维
预氧化 空气介质 200-300oC 数十至数百分钟
碳化
OF
惰性气氛
CF
1200-1500 oC
数分至数十分钟
石墨化 惰性气氛 2000-3000 oC 数秒至数十秒
稳定；另外，碳纤维对碱也稳定。 ❖ 碳纤维制品具有非常优良的X射线透过性，阻止中子透过
性，还可赋予塑料以导电性和导热性。 ❖ 以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特性，
是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空航天、 军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。
高分子材料专业 聚合物复合材料
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
4.3 碳纤维的制备与性能
4.3.1 制备
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。 ➢ 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。
高分子材料专业 聚合物复合材料
以粘胶纤维为原料制造碳纤维
CH2OH
O OH O
CH2OH O
OH O
分子式 (C6H10O5)n
OH
OH
纤维素的分子结构式
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。
高分子材料专业 聚合物复合材料
❖缺点：
❖ 1962年日本炭素公司实现低模量聚丙烯脂基碳纤维(PANCF) 的工业化生产;
❖ 1963年英国航空材料研究所开发出高模量聚丙烯脂基碳纤维；
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
❖ 1965年日本群马大学试制成功以沥青或木质素为原料的通 用型碳纤维；
❖ 1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol”的酚醛 纤维;
按制造条件 和方法分类
知识点四 碳纤维
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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
CF 系列产品
深加工
GrF 表面处理
高分子材料专业 聚合物复合材料
以沥青为原料制造碳纤维
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。
❖ 两次技术飞跃： 第一次：1964年以后，英美开发出热牵伸法，使聚丙烯腈
碳化纤维性能突破性提高。
第二次：日本东丽公司发明聚合催化环化原纤维，改变传 统工艺，周期短、产量高。
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高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
4.2 碳纤维的特点和分类
4.2.1 特点
❖ 碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐热性高； ❖ 化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外，几乎对所有药品均
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
4.1.2 碳纤维的发展
❖ 碳纤维的开发历史可追溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生 发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产的碳 纤维，则出现在二十世纪50年代末期。
❖ 1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维(Viscose firber)为原 丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维。
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
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
按碳纤维的 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
高分子材料专业 聚合物复合材料
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。
高分子材料专业 聚合物复合材料
以PAN（聚丙烯腈）为原料制造碳纤维
❖ 目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料 来制造的。
知识点三 碳纤维
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
主要内容
❖4.1 碳纤维概述 ❖4.2 碳纤维的特点和分类 ❖4.3 碳纤维的制备与性能 ❖4.4 碳纤维的应用和发展前景
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
4.1 碳纤维概 述
4.1.1 碳纤维的定义
碳纤维是由90%以上的碳元素组成的一种高性能增强纤 维。是有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是 一种非金属材料。 ❖ 碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构规整性稍差。
❖ 1970年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维的工业规模生 产；
❖ 1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维投放市场。
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知识点四 碳纤维
❖ 1988年，世界碳纤维总生产能力为10054吨/年，其中聚丙 烯腈基碳纤维为7840吨，占总量的78％。日本是最大的 聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力约3400吨/年，占总 量的43％。
➢ 碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。
高分子材料专业 聚合物复合材料
一般以有机纤维为原料制造CF的过程：
有机纤维
预氧化处理
高温碳化
原丝
❖ 原丝的选择条件：
强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。
❖ 基本条件：
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
知识点四 碳纤维
4.2.2 碳纤维的分类
按原丝类型
CF分类方法
按碳纤维性能 按碳纤维的功能 按制造条件和方法
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知识点四 碳纤维
按原丝类型分类
聚丙烯腈基 粘胶基 沥青基 木质素纤维基 其他有机纤维基
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
按碳纤维 性能分类
通用级CF：拉伸强度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa
❖ CF制造过程中最主要环节： 原丝制备； 原丝预氧化； 预氧化丝碳化或进一步石墨化
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丙烯腈 共聚单体 引发剂
基本工艺流程
聚合
纺丝
PAN
湿纺
干湿纺
PAN 纤维
预氧化 空气介质 200-300oC 数十至数百分钟
碳化
OF
惰性气氛
CF
1200-1500 oC
数分至数十分钟
石墨化 惰性气氛 2000-3000 oC 数秒至数十秒
稳定；另外，碳纤维对碱也稳定。 ❖ 碳纤维制品具有非常优良的X射线透过性，阻止中子透过
性，还可赋予塑料以导电性和导热性。 ❖ 以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特性，
是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空航天、 军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。
高分子材料专业 聚合物复合材料
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
4.3 碳纤维的制备与性能
4.3.1 制备
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。 ➢ 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。
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以粘胶纤维为原料制造碳纤维
CH2OH
O OH O
CH2OH O
OH O
分子式 (C6H10O5)n
OH
OH
纤维素的分子结构式
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。
高分子材料专业 聚合物复合材料
❖缺点：
❖ 1962年日本炭素公司实现低模量聚丙烯脂基碳纤维(PANCF) 的工业化生产;
❖ 1963年英国航空材料研究所开发出高模量聚丙烯脂基碳纤维；
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
❖ 1965年日本群马大学试制成功以沥青或木质素为原料的通 用型碳纤维；
❖ 1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol”的酚醛 纤维;
按制造条件 和方法分类
知识点四 碳纤维
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。
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CF 系列产品
深加工
GrF 表面处理
高分子材料专业 聚合物复合材料
以沥青为原料制造碳纤维
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。
❖ 两次技术飞跃： 第一次：1964年以后，英美开发出热牵伸法，使聚丙烯腈
碳化纤维性能突破性提高。
第二次：日本东丽公司发明聚合催化环化原纤维，改变传 统工艺，周期短、产量高。
6
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
4.2 碳纤维的特点和分类
4.2.1 特点
❖ 碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐热性高； ❖ 化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外，几乎对所有药品均
高分子材料专业 聚合物复合材料
知识点四 碳纤维
4.1.2 碳纤维的发展
❖ 碳纤维的开发历史可追溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生 发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产的碳 纤维，则出现在二十世纪50年代末期。
❖ 1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维(Viscose firber)为原 丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维。
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
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知识点四 碳纤维
按碳纤维的 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
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