碳纤维综述性论文

碳纤维综述性论文

摘要：碳纤维是指由有机纤维经碳化及墨化处理而得到的微晶墨材料，是纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的墨纤维。碳纤维是一种新型材料，本文主要论述了碳纤维的分类及性质、生产、制造、加工，并论述了碳纤维的改性以及用途和发展前景等。

关键词：碳纤维、生产、加工、应用领域、发展趋势；

前言：碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状墨微晶等有机纤维沿纤维轴向向堆砌而成，经碳化及墨化处理而得到的微晶墨材料。碳纤维“外柔刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

一、碳纤维的分类

按制作原料分：(1) 纤维素基（人造丝基）(2) 聚丙烯氰基(3)沥青基（各向同性、各向导性中间相）。

按制造法和条件分：(1) 碳纤维（炭化温度在800~1600℃时得到的碳纤维）(2) 墨纤维（炭化温度在2000~3000℃时得到的碳纤维）(3) 活性炭纤维(4) 气相生长纤维。

按性能分：(1) 一般型（GP，在通电部件、耐热隔热体、滑动部分、耐腐蚀材料等领域使用一般型。）(2) 高性能型（HP,其中高性能型分为高强型及高模型，通常大多数应用领域使用高性能型）在通电部件、耐热隔热体、滑动部分、耐腐蚀材料等领域使用一般型。

按状态分：(1)长丝(2)短纤维(3)短切纤维。

二、碳纤维的性质

2.1碳纤维的物理性能

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-℃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。

2.2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。

三、碳纤维的制造及生产

碳纤维是不能用碳作原料制造的，工业上制造碳纤维是以有机纤维作原料，在没有氧气的情况下经过高温处理转化而形成的。通常用以下几种法制得。

（1）用纤维素制造碳纤维，一般是以人造丝做原料。

（2) 用聚丙烯氰纤维制造碳纤维，以纯粹的丙烯氰聚合而成，再经过特殊工艺得到连续纤维作原料。

粘胶基碳纤维的生产：生产时，首先将纤维置于氮等惰性气体中作低温（400度以下）稳定化处理，进行预氧化，然后在400度以上实现芳构化过程，获得墨类结构，从而形成碳纤维和墨纤维。这样一个热解碳化处理过程在五个温度阶段中实现。

第一阶段：升温至50~150度，排出吸附水。

第二阶段：升温至150~240度，纤维素环上的羟基将以水的形式脱除。

第三阶段：升温至240~400度，键断裂，生成水，CO,CO2，达到400度时，整个纤维素破坏，生成C4残链。

第四阶段：升温至400~700度，通过芳构生成碳的六元环，同时释放氢和甲烷等，再升温至900~1600度，即生成墨类结构，形成碳纤维。

第五阶段：温度再升高，即形成沿纤维轴取向的乱层墨成片，在温度升高至

2200~2800度的墨化温度时，形成墨纤维，利用塑性拉伸，可使纤维的拉伸强度和初始模量大幅度提高。

四、碳纤维的加工

4.1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。

4.2碳纤维的加工法

碳元素的各种同素异形体(金刚、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法(干法和湿法纺丝)。

4.2.1干喷湿纺法

干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝喷出后，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、离浴辊引入的丝条经后处理得到PAN纤维。

4.2.2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墨结构一三维有序的墨结构。