碳纤维内部结构
活性炭纤维(完整)方
ACF碳纤维和其他活性炭材料吸附能力对比
粉末活性炭（Pac）<活性炭棒（CTO）<颗粒活性炭（GAC）<碳纤维（ACF）
三.活性炭的合成方法及原理
1.合成方法 ：目前用作活性炭纤维前驱体的有机纤维主要 有粘胶基、聚丙烯睛基、沥青基、酚醛基四种，除此之外 ，还有采用其他原料制成的，如聚偏二氯乙烯、聚酞亚胺 纤维、PBO纤维、聚苯乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚氯乙 烯基、PVA基等，不同的原料纤维有不同的炭化和活化特 性，制成的活性炭纤维的特点有所不同 2.原理：活性炭纤维是经过活化的含碳纤维，将某种含碳 纤维，经过高温活化（不同的活化方法活化温度不一样） ，使其表面产生纳米级的孔径，增加比表面积，从而改变 其物化特性。
3）大气治理和空气净化
4）应用于医学领域 5）有机合成催化剂或催化剂载体
1、饮用水的净化
ACF的微孔孔径具有可调节性，可以针对不同的有机微污
染物，选择性的设计出具有不同吸附性能的ACF，从而能 够去除水源中的各种污染物质。 ACF对水质混浊有明显的澄清作用，可以除去水中的异臭、 异味；对氰、氯、氟、酚等有机化合物去除率达90％以上， 对细菌有极好的过滤效果，如大肠杆菌去除率达98％。
四.活性炭的加工工艺
目前活性炭纤维的生产主要是聚丙烯腈基和沥
青基、黏胶基，其他炭纤维很少。 活性炭纤 维生产加工工艺如下1)浸渍(预处理)；2)氧化 工艺；3)碳化工艺；4)活化工艺，活化时尽可 能多地造孔，形成多孔结构
活性炭纤维加工工艺流程图
五.活性炭纤维应用情况
1）废水治理及水净化 2）回收溶剂
1.活性炭纤维优良的吸附性能：
吸附容量大，达到吸附平衡的速率快，对有机
蒸气的吸附量比粒状活性炭大几倍甚至几十倍；
不同直径的T800级高强中模碳纤维的结构对比
研究与开发合成纤维工业ꎬ２０１８ꎬ４１(５):５ＣＨＩＮＡ㊀ＳＹＮＴＨＥＴＩＣ㊀ＦＩＢＥＲ㊀ＩＮＤＵＳＴＲＹ㊀㊀收稿日期:２０１８￣０５￣１４ꎻ修改稿收到日期:２０１８￣０８￣０７ꎮ作者简介:钟俊俊(１９８６ )ꎬ女ꎬ工程师ꎬ主要从事高性能碳纤维检测表征工作ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｚｈｏｎｇｊｊ＠ｎｉｍｔｅ.ａｃ.ｃｎꎮ基金项目:中科院创新基金项目(ＣＸＪＪ￣１７￣Ｍ１６０)ꎻ装备发展部领域基金重点项目(６１４０９２２０１０１０３)ꎮ㊀∗通讯联系人ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｑｘ３０２３＠ｎｉｍｔｅ.ａｃ.ｃｎꎮ不同直径的Ｔ８００级高强中模碳纤维的结构对比钟俊俊ꎬ钱㊀鑫∗ꎬ张永刚ꎬ王雪飞ꎬ李德宏ꎬ宋书林(中国科学院宁波材料技术与工程研究所碳纤维制备技术国家工程实验室ꎬ浙江宁波３１５２０１)摘㊀要:对自制的两种不同直径的Ｔ８００级高强中模碳纤维(ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２)的结构与性能进行了研究ꎬ并与日本东丽公司Ｔ８００碳纤维进行了比较ꎮ结果表明:ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２的直径分别为５.６４ꎬ６.３１μｍꎬ均高于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(５.４５μｍ)ꎬ截面比日本东丽公司Ｔ８００碳纤维规整ꎻＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２的拉伸强度分别为５.５８ꎬ５.５６ＧＰａꎬ略高于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(５.５２ＧＰａ)ꎬ拉伸模量分别为２９３ꎬ２９５ＧＰａꎬ略高于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(２９０ＧＰａ)ꎬ断裂伸长率分别为１.９７％ꎬ１.８９％ꎬ均高于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(１.８０％)ꎻＮＢＦ２的石墨微晶层间距为０.３５２７ｎｍꎬ显著低于日本东丽公司Ｔ８００碳纤维(０.３５５５ｎｍ)ꎬＮＢＦ２具有更高的石墨化程度ꎻ碳纤维表面无序化程度越低ꎬ其拉伸强度越高ꎮ关键词:碳纤维㊀聚丙烯腈纤维㊀高强中模㊀结构㊀性能中图分类号:ＴＱ３４２＋.７４２㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１００１￣００４１(２０１８)０５￣０００５￣０４㊀㊀聚丙烯腈(ＰＡＮ)基碳纤维具有高强度㊁高模量㊁耐高温㊁耐腐蚀㊁导电㊁导热等独特性能ꎬ因而广泛用作先进复合材料的增强体[１－３]ꎮＰＡＮ基碳纤维按照力学性能可以分为高强中模㊁高模和高强高模三大类ꎬ高强中模碳纤维以日本东丽公司Ｔ３００ꎬＴ７００ꎬＴ８００等为典型代表ꎮ近年来碳纤维发展迅速ꎬ新性能产品不断出现ꎬ因而高模和高强高模概念有所延伸ꎮ目前高模是以日本Ｍ４０ＪꎬＭ５０ＪꎬＭ５５Ｊ中强高模碳纤维为代表ꎬ并逐渐取代了最初Ｍ４０ꎬＭ５０等低强高模纤维ꎻ而高强高模则是最近几年国内外研究热点ꎬ该产品特点是同时具有高强度㊁高模量ꎬ以日本东丽Ｔ１１００Ｇ(拉伸强度７.０ＧＰａ㊁拉伸模量３２４ＧＰａ)㊁美国佐治亚理工学院研制的高性能碳纤维(拉伸强度５.５~５.８ＧＰａ㊁拉伸模量３５４~３５７ＧＰａ)[４]为代表ꎮ近期中国科学院宁波材料技术与工程研究所研制出拉伸强度５.２４ＧＰａꎬ拉伸模量５９３ＧＰａ型碳纤维也呈现出兼具高强度㊁高模量的特征ꎮ目前碳纤维市场仍然被日本及美国等垄断ꎬ经过多年自主研发ꎬ国内碳纤维发展迅速ꎬ主体性能指标也不断突破ꎬ但由于国内产品大多是参照国外尤其是日本东丽公司产品性能指标发展及分级ꎬ对于结构或性能等不同规格的碳纤维研发有待开展ꎮ依据Ｗｅｉｂｕｌｌ最弱链接理论ꎬ纤维拉伸断裂出现在最大缺陷处ꎬ纤维尺寸越大ꎬ出现较大缺陷概率也随之增高ꎬ因而纤维直径越细ꎬ碳纤维拉伸强度越高[５]ꎮ若在不同纤维直径下获得的碳纤维力学性能相同或相近ꎬ其内部结构是否存在显著区别ꎬ对此目前国内外尚未有报道ꎮ基于上述碳纤维研究现状分析ꎬ作者以自制两种不同直径的Ｔ８００级碳纤维为研究对象ꎬ对比研究了相近力学性能下不同直径的自制Ｔ８００级碳纤维微观结构的差异ꎬ同时以日本东丽Ｔ８００碳纤维作为对比ꎮ本研究对阐明高强中模碳纤维的结构㊁性能关联性ꎬ尤其不同规格产品的开发具有一定的指导意义ꎮ１㊀实验１.１㊀主要原料及试样丙烯腈:纯度大于等于９９.０％ꎬ台州市中海医药化工有限公司提供ꎻ衣康酸(化学纯)㊁偶氮二异丁氰(分析纯):国药集团化学试剂有限公司提供ꎻ东丽ＰＡＮ基碳纤维:规格Ｔ８００ꎬ１２Ｋꎬ简称Ｔ８００碳纤维ꎬ日本东丽公司生产ꎮ１.２㊀实验方法Ｔ８００级碳纤维的制备:以丙烯腈㊁衣康酸为原料ꎬ偶氮二异丁腈为引发剂ꎬ采用湿法纺丝工艺ꎬ经聚合㊁纺丝㊁高温拉伸㊁上油等工艺制备得到ＰＡＮ原丝ꎬ再经过１８０~２６０ħ预氧化㊁３００~８００ħ低温碳化㊁１０００~１６００ħ高温碳化工艺制备得到ＰＡＮ基碳纤维ꎬ其中通过ＰＡＮ原丝制备过程中喷丝孔径调控来获得不同直径纤维ꎮ小直径丝束规格为１２Ｋꎬ大直径丝束规格为６Ｋꎬ分别标记为ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２试样ꎮ１.３㊀测试力学性能:按照ＧＢ/Ｔ３３６２ ２００５试验标准ꎬ使用美国Ｉｎｓｔｒｏｎ公司５５６９型万能材料试验机测试碳纤维的拉伸强度ꎬ加载速度２.０ｍｍ/ｍｉｎꎬ测试８个试样取平均值ꎮ形貌结构:利用美国ＦＥＩ公司ＱｕａｎｔａＦＥＧ２５０型场发射扫描电镜(ＳＥＭ)对两种自制Ｔ８００㊁东丽Ｔ８００碳纤维表面㊁断面形貌进行观察ꎻ同时ꎬ通过截面形貌对纤维直径进行了统计分析ꎬ纤维直径取３０根纤维直径的平均值ꎮＸ射线衍射(ＸＲＤ):采用日本Ｒｉｇａｋｕ公司Ｄ８ＡｄｖａｎｃｅＤａｖｉｎｃｉ型Ｘ射线衍射仪进行测试ꎮ测试条件:采用Ｎｉ过滤的ＣｕＫα辐射(波长为０.１５４１８ｎｍ)ꎬ管压４０ｋＶꎮ测试时将纤维研磨成粉末放置在载物台上ꎬ采用对称透射几何安排进行纤维衍射并进行赤道扫描ꎮ拉曼光谱:使用英国Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司ｉｎＶｉａ￣ｒｅ￣ｆｌｅｘ型激光拉曼光谱仪对碳纤维拉曼光谱进行测试ꎮ激发光波长为５３２ｎｍ(氩离子)ꎬ扫描时间为１０~３０ｓꎬ光谱分辨率为１ｃｍ－１ꎬ拉曼光谱扫描波数为６００~２１００ｃｍ－１ꎬ采用高斯￣洛伦兹拟合以获得峰结构信息ꎮ２㊀结果与讨论２.１㊀力学性能从表１可以看出ꎬ两种规格Ｔ８００级碳纤维ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２拉伸强度与拉伸模量均略高于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎬ而自制Ｔ８００级碳纤维断裂伸长率也明显高于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎮ表１㊀自制Ｔ８００级碳纤维与Ｔ８００碳纤维性能对比Ｔａｂ.１㊀ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＣｈｉｎａ￣ｍａｄｅＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｎｄＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ试样线密度/ｔｅｘ体密度/(ｇ ｃｍ－３)拉伸强度/ＧＰａ拉伸模量/ＧＰａ断裂伸长率ꎬ％ＮＢＦ１４５０１.７８５.５８２９３１.９７ＮＢＦ２３１５１.８０５.５６２９５１.８９Ｔ８００碳纤维４５０１.８０５.５２２９０１.８０㊀㊀对于碳纤维线密度ꎬＮＢＦ１试样与日本东丽Ｔ８００碳纤维同为１２Ｋ规格碳纤维ꎬ两者线密度相同均为４５０ｔｅｘꎻ根据产品信息日本东丽Ｔ８００碳纤维６Ｋ规格的线密度为２２４ｔｅｘꎬ而ＮＢＦ２试样的丝束规格同为６Ｋ情况下ꎬ纤维的线密度高达３１５ｔｅｘꎬ线密度越高ꎬ说明获得相同质量所需纤维长度越短ꎬ即纤维直径越大ꎮ２.２㊀形貌结构由图１试样的表面ＳＥＭ照片可以看出ꎬ自制Ｔ８００级碳纤维(ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２试样)与日本东丽Ｔ８００碳纤维均存在明显的轴向沟槽ꎬ该结构产生与ＰＡＮ原丝制备过程中双扩散过程有关[６]ꎮ从图１还可以看出ꎬ日本东丽Ｔ８００碳纤维沟槽结构更为明显ꎬ这是由于其原丝制备过程中双扩散过程更为剧烈ꎮ而从纤维断面形貌图中也可以看出ꎬ自制ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２试样断面较日本东丽Ｔ８００碳纤维截面要规整ꎮ图１㊀碳纤维的表面及断面形貌的ＳＥＭ照片Ｆｉｇ.１㊀ＳＥＭｓｕｒｆａｃｅａｎｄｃｒｏｓｓ￣ｓｅｃｔｉｏｎａｌｐｈｏｔｏｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ㊀㊀按照ＧＢ/Ｔ２９７６２ ２０１３碳纤维纤维直径和横截面积的测定ꎬ对自制ＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２及日本东丽Ｔ８００碳纤维直径理论值按公式(１)进行计算ꎮｄ＝４ｔˑ１０３/πρｎ(１)式中:ｄ为纤维的理论直径ꎻｔ为纤维的线密度ꎻρ为纤维的体密度ꎻｎ为纤维单丝根数ꎮ㊀㊀同时使用ＳＥＭ对纤维截面测量计算得到纤６㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年第４１卷维直径数据如表２所示ꎮ表２㊀碳纤维的直径Ｔａｂ.２㊀Ｄｉａｍｅｔｅｒｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ试样直径/μｍ理论值实测值ＮＢＦ１５.１８５.６４ʃ０.２２ＮＢＦ２６.０９６.３１ʃ０.１３Ｔ８００碳纤维５.１５５.４５ʃ０.１２㊀㊀按照公式(１)计算ꎬ在小直径ＮＢＦ１试样与日本东丽Ｔ８００碳纤维具有相同丝束规格情况下ꎬ由于小直径ＮＢＦ１试样体密度较小ꎬ因而纤维理论直径要稍微高于东丽Ｔ８００碳纤维ꎬ经ＳＥＭ截面实测的小直径ＮＢＦ１试样要高于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎮ而对于大直径ＮＢＦ２试样ꎬ纤维直径的理论值和实测值均显著高于小直径ＮＢＦ１和日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎬ其实测值达到６.３１μｍꎮ２.３㊀微晶结构石墨微晶层间距(ｄ００２)及微晶堆砌厚度(Ｌｃ)是评价碳纤维石墨特征结构两个重要参数ꎮｄ００２值的大小和(００２)晶面衍射峰峰形的宽窄可以反映材料的石墨化程度的高低ꎬｄ００２值越小ꎬ(００２)峰越窄ꎬ表示石墨化程度越高ꎮｄ００２和Ｌｃ可利用ＸＲＤ赤道扫描图中的(００２)峰的半峰宽(ＦＷＨＭ)通过布拉格公式和谢乐公式进行计算[７]ꎮ通过对ＸＲＤ赤道扫描分析计算得到３种碳纤维结构参数如表３所示ꎮ表３㊀碳纤维的ＸＲＤ结构参数Ｔａｂ.３㊀ＸＲＤｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ试样２θ(００２)/(ʎ)ｄ００２/ｎｍＦＷＨＭ(００２)/ (ʎ)Ｌｃ/ｎｍＮＢＦ１２５.１３０.３５４１４.５６１.９８ＮＢＦ２２５.２３０.３５２７４.５９１.９７Ｔ８００碳纤维２５.０３０.３５５５４.６６１.９４㊀㊀从表３可以看出ꎬ自制Ｔ８００级碳纤维的ｄ００２要显著低于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎬ而Ｌｃ也略高于日本东丽Ｔ８００碳纤维ꎮ对于大直径ＮＢＦ２纤维ꎬｄ００２为０.３５２７ｎｍ略低于小直径ＮＢＦ１的０.３５４１ｎｍꎬ但远低于日本东丽Ｔ８００碳纤维的０.３５５５ｎｍꎬ说明ＮＢＦ２试样的石墨化度要高于其他两种纤维ꎬ在３种碳纤维拉伸强度及拉伸模量相近情况下ꎬＮＢＦ２试样高石墨化度将更有利于制备高模碳纤维ꎮ２.４㊀拉曼光谱拉曼光谱是碳纤维微观结构最为常用且有效的表征手段之一[８－９]ꎬ但其检测范围局限在一定范围内ꎬ通常可对纤维表面数十纳米范围内结构进行明确表征[１０]ꎮ碳纤维拉曼光谱在１０００~２０００ｃｍ－１波数内会出现两个典型峰ꎬ分别是位于１５８０~１６００ｃｍ－１附近的Ｇ峰和１３５０~１３６０ｃｍ－１附近的Ｄ峰ꎬ其中Ｇ峰是石墨化层平面内碳原子(ＳＰ２杂化)的伸缩振动峰ꎬ代表了有序石墨化结构峰ꎻＤ峰则是石墨片层边缘碳原子(ＳＰ３杂化)的伸缩振动峰ꎬ代表了无序结构峰[５ꎬ１１－１２]ꎮ两个峰面积比值(ＩＤ/ＩＧ)代表了碳纤维无序化程度ꎬ数值越大㊁纤维无序化程度越高ꎮ从图２可以看出ꎬ３种纤维均存在显著的无序结构Ｄ峰和石墨结构Ｇ峰ꎬ其中Ｄ峰位于１３６０ｃｍ－１附近ꎬＧ峰位于１６００ｃｍ－１附近ꎮ图２㊀碳纤维的拉曼光谱Ｆｉｇ.２㊀Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒａｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ１ ＮＢＦ１试样ꎻ２ ＮＢＦ２试样ꎻ３ Ｔ８００碳纤维㊀㊀经拟合分峰得到峰结构详细参数如表４所示ꎮ从表４可以看出ꎬ小直径ＮＢＦ１试样的ＩＤ/ＩＧ值要显著低于其他两种纤维ꎮ表４㊀碳纤维的拉曼光谱分析结果Ｔａｂ.４㊀Ｒａｍａｎｐｅａｋｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ试样Ｄ峰峰位/(ｃｍ－１)ＦＷＨＭ/(ｃｍ－１)峰面积Ｇ峰峰位/(ｃｍ－１)ＦＷＨＭ/(ｃｍ－１)峰面积ＩＤ/ＩＧＮＢＦ１１３６０.６２３２.８５７２.５７１５９４.４８９.０１２１.４９３.３８ＮＢＦ２１３５９.６２２４.１５７０.９９１６００.１８４.９６１８.９１３.７５Ｔ８００碳纤维１３６２.１２４２.２０７２ꎬ６８１５９８.４８８.２１１９.２０３.７９㊀㊀这说明ＮＢＦ１中纤维表面的无序化程度较低ꎬ结合表１中的纤维力学性能数据可以看出ꎬＩＤ/ＩＧ与碳纤维拉伸强度存在一定对应关系ꎬＩＤ/ＩＧ越低㊁碳纤维的拉伸强度越高ꎬ其原因在于纤维表面结构越有序ꎬ表面的缺陷结构也越少ꎬ因７第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀钟俊俊等.不同直径的Ｔ８００级高强中模碳纤维的结构对比而碳纤维越有利于获得优异的性能ꎮ通过对比大直径ＮＢＦ２与日本东丽Ｔ８００碳纤维结构参数可看出ꎬ虽然两种纤维在直径上存在较大差异(见表２)ꎬ但两种纤维表面石墨化有序结构程度差异并不大ꎮ３㊀结论ａ.自制Ｔ８００级碳纤维截面较日本东丽Ｔ８００碳纤维截面要规整ꎬＮＢＦ１ꎬＮＢＦ２试样的纤维直径分别５.６４ꎬ６.３１μｍꎬ均高于日本东丽Ｔ８００碳纤维的５.４５μｍꎮｂ.大直径Ｔ８００级碳纤维ＮＢＦ２的ｄ００２显著低于日本东丽Ｔ８００碳纤维的ｄ００２ꎬ证明该规格纤维具有更高的石墨化程度ꎮｃ.碳纤维表面无序化程度与碳纤维拉伸强度存在对应关系ꎬ纤维表面无序化程度越低ꎬ碳纤维的拉伸强度也越高ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀ＺｈａｏＭｉｎꎬＭｅｎｇＬｉｎｇｈｕｉꎬＭａＬｉｃｈｕｎꎬｅｔａｌ.Ｌａｙｅｒ￣ｂｙ￣ｌａｙｅｒｇｒａｆｔｉｎｇＣＮＴｓｏｎｔｏｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｓｕｒｆａｃｅｆｏｒｅｎｈａｎｃｉｎｇｔｈｅｉｎ￣ｔｅｒｆａｃｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＣｏｍｐＳｃｉＴｅｃｈꎬ２０１８ꎬ１５４:２８－３６.[２]㊀ＱｉａｎＸｉｎꎬＺｏｕＲｕｉｆｅｎꎬＯｕｙａｎｇＱｉｎꎬｅｔａｌ.Ｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｖｏｌｖｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓｔｏｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ[Ｊ].ＡｐｐｌＳｕｒｆＳｃｉꎬ２０１５ꎬ３２７:２４６－２５２. [３]㊀ＡｎｄｉｄｅｈＭꎬＥｓｆａｎｄｅｈＭ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｙｏｘｉｄｉｚｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｂｙｇｒａｆｔｉｎｇｈｙｄｒｏｘｙｌａｎｄａｍｉｎｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄｈｙｐｅｒｂｒａｎｃｈｅｄｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｓｏｎｉｎ￣ｔｅｒｌａｍｉｎａｒｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].Ｃａｒｂｏｎꎬ２０１７ꎬ１２３:２３３－２４２.[４]㊀ＨａｎＧＣꎬＮｅｗｃｏｍｂＢＡꎬＧｕｌｇｕｎｊｅＰＶꎬｅｔａｌ.Ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈｉｇｈｍｏｄｕｌｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ[Ｊ].Ｃａｒｂｏｎꎬ２０１５ꎬ９３:８１－８７.[５]㊀ＦｉｔｚｅｒＥ.ＰＡＮ￣ｂａｓｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ￣ｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｅａｎｄｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｒｏｍｔｈｅｖｉｅｗｐｏｉｎｔｏｆｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓａｎｄｌｉｍｉｔｓｔｏｉｎｆｌｕｅｎｃｅａｎｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｆｉｂｅｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂｙｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｐａ￣ｒａｍｅｔｅｒｓ[Ｊ].Ｃａｒｂｏｎꎬ１９８９ꎬ２７(５):６２１－６４５. [６]㊀ＹｕＭｅｉｊｉｅꎬＸｕＹｏｎｇꎬＷａｎｇＣｈｅｎｇｇｕｏꎬｅｔａｌ.Ｈｅｒｅｄｉｔｙａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅ￣ｓｃａｌｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎＰＡＮ￣ｂａｓｅｄｃａｒ￣ｂｏｎｆｉｂｅｒｓａｎｄｔｈｅｉｒｐｒｅｃｕｒｓｏｒｆｉｂｅｒｓ[Ｊ].ＪＡｐｐｌＰｏｌｙｍＳｃｉꎬ２０１２ꎬ１２５(４):３１５９－３１６６.[７]㊀ＨｕａｎｇＹꎬＹｏｕｎｇＲＪ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｆｉｂｒｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｐｏｎｔｈｅｍｏｄｕｌｕｓｏｆＰＡＮ￣ａｎｄｐｉｔｃｈ￣ｂａｓｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｓ[Ｊ].Ｃａｒｂｏｎꎬ１９９５ꎬ３３(２):９７－１０７.[８]㊀ＭｅｌａｎｉｔｉｓＮꎬＴｅｔｌｏｗＰＬꎬＧａｌｉｏｔｉｓＣ.ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＰＡＮ￣ｂａｓｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｓｗｉｔｈｌａｓｅｒＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ.１.ＥｆｆｅｃｔｏｆｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｖａｒｉａｂｌｅｓｏｎＲａｍａｎｂａｎｄｐｒｏｆｉｌｅｓ[Ｊ].ＪＭａｔｅｒＳｃｉꎬ１９９６ꎬ３１(４):８５１－８６０.[９]㊀ＦｒａｎｋＯꎬＴｓｏｕｋｌｅｒｉＧꎬＲｉａｚＩꎬｅｔａｌ.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｎｉｖｅｒ￣ｓａｌｓｔｒｅｓｓｓｅｎｓｏｒｆｏｒｇｒａｐｈｅｎｅａｎｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｓ[Ｊ].ＮａｔＣｏｍ￣ｍｕｎꎬ２０１１ꎬ２(１):２５５.[１０]ＧａｌｉｏｔｉｓＣꎬＢａｔｃｈｅｌｄｅｒＤＮ.Ｓｔｒａｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔ￣ａｎｄｓｅｃｏｎｄ￣ｏｒｄｅｒＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒａｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｓ[Ｊ].ＪＭａｔｅｒＳｃｉＬｅｔｔꎬ１９８８ꎬ７(５):５４５－５４７.[１１]ＴｕｉｎｓｔｒａＦꎬＫｏｅｎｉｇＪＬ.Ｒａｍａｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｇｒａｐｈｉｔｅ[Ｊ].ＪＣｈｅｍＰｈｙｓꎬ１９７０ꎬ５３(３):１１２６－１１３０.[１２]ＴｕｉｎｓｔｒａＦꎬＫｏｅｎｉｇＪＬ.Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｉｔｅｆｉｂｅｒｓｕｒ￣ｆａｃｅｓｗｉｔｈＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ[Ｊ].ＪＣｏｍｐＭａｔｅｒꎬ１９７０ꎬ４(４):４９２－４９９.ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｔｒａｓｔｏｆＴ８００ｈｉｇｈ￣ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ￣ｍｏｄｕｌｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｓＺｈｏｎｇＪｕｎｊｕｎꎬＱｉａｎＸｉｎꎬＺｈａｎｇＹｏｎｇｇａｎｇꎬＷａｎｇＸｕｅｆｅｉꎬＬｉＤｅｈｏｎｇꎬＳｏｎｇＳｈｕｌｉｎ(ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＮｉｎｇｂｏＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＮｉｎｇｂｏ３１５２０１)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｅｌｆ￣ｍａｄｅＴ８００ｈｉｇｈ￣ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ￣ｍｏｄｕｌｕｓｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｓ(ＮＢＦ１ａｎｄＮＢＦ２)ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｗａｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＮＢＦ１ａｎｄＮＢＦ２ｈａｄｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｓｏｆ５.６４ａｎｄ６.３１μｍꎬｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(５.４５μｍ)ꎬａｎｄｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆＮＢＦ１ａｎｄＮＢＦ２ｗａｓｍｏｒｅｒｅｇｕｌａｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒꎻＮＢＦ１ａｎｄＮＢＦ２ｈａｄｔｈｅｔｅｎ￣ｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ５.５８ａｎｄ５.５６ＧＰａꎬｓｌｉｇｈｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(５.５２ＧＰａ)ꎬｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｍｏｄｕｌｕｓｏｆ２９３ａｎｄ２９５ＧＰａꎬｓｌｉｇｈｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(２９０ＧＰａ)ꎬａｎｄｔｈｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎａｔｂｒｅａｋｏｆ１.９７％ａｎｄ１.８９％ꎬｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(１.８０％)ꎻＮＢＦ２ｈａｄｔｈｅｇｒａｐｈｉｔｅｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｉｎｔｅｒ￣ｌａｙｅｒｄｉｓｔａｎｃｅｏｆ０.３５２７ｎｍꎬｐｒｏｆｏｕｎｄｌｙｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＪａｐａｎＴｏｒａｙＴ８００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(０.３５５５ｎｍ)ꎬｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｅｒｇｒａｐｈｉｔｅｄｅｇｒｅｅｏｆＮＢＦ２ꎻｔｈｅｌｏｗｅｒｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｉｓｏｒｄｅｒｄｅｇｒｅｅｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒꎬｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒꎻｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｆｉｂｅｒꎻｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｍｏｄｕｌｕｓꎻｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻｐｒｏｐｅｒｔｙ８㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年第４１卷。
碳纤维材料的研究进展与应用前景
碳纤维材料的研究进展与应用前景碳纤维是纤维增强复合材料中的一种，它是由石油、天然气等石化产品进行高温碳化后制成的一种纤维材料，其主要成分为碳元素。
碳纤维的高强度、轻质、高稳定性、耐腐蚀性等特性使得它成为了现代高端制造领域的重要材料之一。
本文将从碳纤维材料的制备及其组织结构、碳纤维的主要性能以及碳纤维材料的应用前景三个方面综述碳纤维的研究进展与应用前景。
一、碳纤维材料的制备及其组织结构碳纤维材料的制备主要是通过高聚物纤维化，即将聚丙烯腈等有机高分子经过加氢、缩合、纺丝等多道工序后制成成型前驱体，再通过热解、碳化、图热石墨化等系列化学反应，在高温高真空状态下将成型前驱体有机分子转化为碳分子而成。
碳纤维的制备及其表面形貌、微观结构与物理化学性质相关，具有很高的结构化和复杂性，因此对碳纤维材料的组织结构进行分析和研究，是碳纤维材料研究的重要内容之一。
碳纤维材料是由多个层次的微观结构组成，其中最基本的组成单元是碳纤维的原子排列结构，即由连通的芳环结构和有氮、氧等杂原子取代构成的多孔石墨层状结构。
在原子排列结构上，碳纤维材料由平行排列的基础单元堆积而成，具有方向性，呈现出丝状或丝带状等形态。
在材料的宏观结构中，碳纤维材料通常具有纤维状或薄片状形态等。
而碳纤维材料的微观结构是决定性因素，其成长行为和杂原子的存在对碳纤维的性能起到了显著影响。
二、碳纤维的主要性能碳纤维的主要特点是高强度、高模量和高韧性。
碳纤维的强度与其成型前驱体的纤维化程度、加工工艺、化学反应以及表面形貌、微观结构的稳定性等相关。
碳纤维的高强度主要来自于其成型前驱体的内部结构，在碳化过程中生成的“石墨化”的结构与碳分子的排列等也决定了其宏观强度，同时碳纤维的强度与杂原子的存在、石墨晶体的孔隙率、石墨结晶组织的大小以及结晶方向的一致性等也有关系。
碳纤维的高模量来自于其硬质碳化结构，碳纤维的碳化程度越高，其模量也越大。
此外，碳纤维的弹性模量与其成型前驱体的聚合度、纤维结构和方向等因素也有很大的关系。
碳纤维发热原理
碳纤维发热原理碳纤维发热技术是一种利用碳纤维材料发热的新型加热方式，它具有发热速度快、发热均匀、安全可靠等优点，因此在服装、汽车座椅、床品等领域得到了广泛的应用。
那么，碳纤维是如何实现发热的呢？接下来，我们将深入探讨碳纤维发热的原理。
首先，碳纤维发热的原理是通过电阻发热实现的。
碳纤维是一种导电材料，当通过电流时，碳纤维会产生电阻，并产生热量。
这种电阻发热的原理是基于材料的电阻率和电流的关系，根据欧姆定律，当通过材料的电流增大时，电阻产生的热量也会增加。
其次，碳纤维的导电性和热传导性也是实现发热的重要原理。
由于碳纤维具有良好的导电性和热传导性，电流能够快速地在碳纤维中传导，从而迅速将热量传递到整个碳纤维材料中，实现了均匀的发热效果。
除此之外，碳纤维的发热原理还与其内部的分子结构有关。
碳纤维的分子结构呈现出一定的有序性，这使得碳纤维在电流通过时能够更有效地产生热量，并且能够更好地保持热量，实现长时间稳定的发热效果。
综上所述，碳纤维发热的原理主要包括电阻发热、导电性和热传导性、以及分子结构等多个方面。
这些原理共同作用，使得碳纤维能够快速、均匀地产生热量，广泛应用于各个领域。
在实际应用中，碳纤维发热技术还可以通过控制电流大小和时间来实现不同的发热效果，从而满足不同场景的需求。
同时，由于碳纤维发热具有安全可靠、环保节能等优点，未来其在智能家居、医疗保健等领域的应用前景也将更加广阔。
总之，碳纤维发热原理是一种基于电阻发热、导电性和热传导性、以及分子结构等多个方面的综合效应，通过这些原理的作用，碳纤维能够实现快速、均匀的发热效果，为各个领域提供了新的加热解决方案。
相信随着技术的不断进步和创新，碳纤维发热技术将会在更多领域展现出其巨大的应用潜力。
碳纤维热导率随温度变化规律
碳纤维热导率随温度变化规律
碳纤维的热导率随温度的变化规律通常可以描述为先增大后减小的趋势。
具体来说，随着温度的升高，碳纤维的热导率通常会先增大，然后达到一个峰值，在峰值温度之后开始逐渐减小。
这种变化规律可以由碳纤维的结构特点来解释。
在低温下，碳纤维内部的声子（晶格振动）散射较少，导致热传导能力较强，热导率较高。
随着温度的升高，声子的散射过程变得更加频繁，导致热传导能力减弱，热导率开始下降。
然而，当温度继续升高时，碳纤维内部的一些结构（如图层间相互作用力）可能发生变化，从而导致热导率再次增加。
这是因为在一些特定温度下，一些结构相互作用会增强声子的传播。
总的来说，碳纤维的热导率随温度的变化规律是受多种因素影响的复杂过程，需要考虑碳纤维的结构、材料特性以及温度范围等因素。
因此，热导率随温度的变化规律可以在具体的实验条件下进行研究和测量。
碳纤维的分类
碳纤维的分类
按原丝类型
按碳纤维性能 碳纤维的分类方法 按碳纤维的功能
按制造条件和方法
聚丙烯腈基 粘胶基 按原丝类型分类
沥青基
木质素纤维基
其他有机纤维基
通用级碳纤维：拉伸强度<1.4GPa，
拉伸模量 <140GPa
量99％以上。
按制造条件和 方法分类
活性碳纤维：气体活化法，碳纤维在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
机物在的制造 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。 以有机纤维为原料制造碳纤维的过程： 有机纤维 预氧化处理 高温碳化
碳纤维的性能
碳纤维的物理性质：耐热性 热膨胀系数性 热导率 比热 导电性 润滑性 碳纤维的化学性质：耐一般的酸碱
碳纤维的缺陷
碳纤维中的缺陷主要来自两方面： 原丝带来的缺陷
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。
碳化过程带来的缺陷
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。
碳纤维
碳纤维
由有机纤维或低分子烃气体原料在气氛中经高温 （1500℃）碳化而成的纤维状化合物，其碳含量在90%以上。
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。
原丝
碳纤维的分类
高性能 碳纤维
高强度碳纤维 高模量碳纤维 超高强碳纤维 超高模碳纤维 高强－高模碳纤维 中强－中模碳纤维 等
按碳纤维的 功能分类
受力结构用碳纤维 耐焰用碳纤维 导电用碳纤维 润滑用碳纤维 耐磨用碳纤维 活性碳纤维
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
有机纤维
预氧化处理
高温碳化
原丝
碳纤维的表面处理
途径： 清除表面杂质； 在纤维表面形成微孔或者刻蚀沟槽。增加表面能； 引进具有极性或者反应性官能团；形成能与树脂起作用 的中间层。
ö 扫描电镜(SEM)：纤维表面缺陷 ö 透射电镜(TEM)：纤维内部结构
碳纤维的分类
碳纤维的分类方法
按原丝类型 按碳纤维性能 按碳纤维的功能 按制造条件和方法
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
按碳纤维 性能分类
通用级碳纤维：拉伸强度<1.4GPa，
拉伸模量 <140GPa
量99％以上。
活性碳纤维：气体活化法，碳纤维在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。
碳纤维的制造
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。
以有机纤维为原料制造碳纤维的过程：
弯曲，彼此交叉的许多条带状组成的结构。
碳纤维的性能
碳纤维的物理性质：耐热性 热膨胀系数性 热导率 比热 导电性 润滑性
碳纤维的化学性质：耐一般的酸碱
碳纤维微观结构表征：Raman光谱
化工进展CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2020年第39卷第S2期碳纤维微观结构表征：Raman 光谱郝俊杰1，吕春祥2，李登华3（1山西钢科碳材料有限公司，山西太原030100；2中国科学院山西煤炭化学研究所碳纤维制备技术国家工程实验室，山西太原030001；3山西省交通科技研发有限公司新型道路材料国家地方联合工程实验室，山西太原030032）摘要：Raman 光谱作为材料微观结构表征的重要方法，其对碳材料的结构具有相当的敏感性，在0～3300cm -1的波数范围内都有相当显著的谱峰响应。
其中，理想石墨晶格面内C C 键伸缩振动的G 线和由无序结构引起的D 线是认识碳材料纳米尺度结构特征的关键切入点。
基于上述特征指标可以获得碳结构微观应力、晶态结构、石墨化度及结构不均匀性等一系列结构特征，是研究碳纤维微观结构及其形成、演变过程的重要技术手段。
近年来，随着以“Mapping ”技术为代表的系列新技术的成功应用，针对碳纤维微观结构的Raman 光谱应用技术出现了一系列新的进展。
本文以Raman 光谱的碳纤维微观、介观层面的应用技术为切入点，综述了近年来Raman 光谱在碳纤维微观应力/应变、晶态结构、石墨化度及结构不均匀性等方面的进展情况。
关键词：碳纤维；Raman 光谱；微观应力；晶态结构；结构不均匀性中图分类号：TQ342+.74文献标志码：A文章编号：1000-6613（2020）S2-0227-07Characterization of the microstructure of carbon fibers:RamanspectroscopyHAO Junjie 1，LYU Chunxiang 2，LI Denghua 3(1Shanxi Gangke Carbon Materials Company Limited,Taiyuan 030100,Shanxi,China;2National Engineering Laboratoryfor Carbon Fiber Technology,Institute of Coal Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Taiyuan 030001,Shanxi,China;3National and Local Joint Engineering Laboratory of Advanced Road Materials,Shanxi Transportation Technology Research&Development Company Limited,Taiyuan 030032,Shanxi,China)Abstract:As an important technical means in the structural characterization of materials,Raman spectroscopy is found sensitive and have significant response to carbon structure in the wavenumber area 0～3300cm -1.Among them,an ideal graphitic lattice C C in-plane vibration mode namely G-band and a consequence of the existence of structural disorder namely D-band are suggested as two of the important index in the study of the carbon structures.Based on these index,a series of structural features such as microscopic stress,crystalline structure,graphitization degree and structural heterogeneity of carbon structures can be obtained.In recent years,with the successful application of a series of new technologies represented by "Mapping"mode,many new developments have been made in the Raman spectroscopyapplication technologies for carbon fibers.In this paper,taking the applications in the microscopic and综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0507收稿日期：2020-04-03；修改稿日期：2020-04-14。
碳纳米管和碳纤维
碳纳米管和碳纤维碳纳米管和碳纤维在现代科学技术中扮演着重要的角色。
碳纳米管是由原子尺度的碳滚筒构成的结构，具有很好的力学性能、导电性能和热稳定性。
碳纤维则是由细长的碳纤维组成的材料，具有轻量化、高强度、高模量等优异的性能。
本文将从不同的角度介绍这两种材料的特点和应用。
碳纳米管（Carbon nanotube，简称CNT）是一种由单层或多层碳原子按照一定的方式排列堆叠而成的管状结构。
碳纳米管具有很好的力学性能，其拉伸强度高达140GPa，屈服强度达到65GPa，弹性模量为1.2TPa。
由于其内部空心，所以密度很低，只有1.3g/cm3，相当于铝的1/6。
此外，碳纳米管还具有很高的导电性和热稳定性，是一种理想的纳米材料。
碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
单壁碳纳米管是由单层碳原子经过卷曲而成的管状结构，具有材料内部具有光滑的内壁面和高度的纯度等特点，它的直径一般在1-2nm之间。
多壁碳纳米管是由多层碳原子经过卷曲而成的管状结构，其中也有光滑的内壁面，但是管径较大，大部分在10-100nm之间，外径范围大多数在20-100nm之间。
碳纳米管具有很多应用，例如在电子学、能源、生物医学、机械等领域。
在电子学领域，碳纳米管可以作为高性能场效应晶体管、场发射极材料、NEMS器件、传感器和存储器等方面的应用。
在能源领域，碳纳米管可以用于制备高效电池和电容器。
在医学领域，单壁碳纳米管可以作为荧光探针和药物输送载体等。
在机械领域，碳纳米管可以制备超强材料、高性能机械部件、纳米复合材料和增强材料等。
碳纤维碳纤维（Carbon fiber）是一种由碳纤维纺织物制成的高强、高模材料，通常含碳量在90%以上。
碳纤维是由聚丙烯等基材加入耐火材料后再用高温炭化得到的。
碳纤维具有轻量化、高强度、高刚度、高耐热性、低导热、低热变形率等特点。
碳纤维可以分为多种类型，根据纤维的结构可以分为长连续纤维和短切削纤维，按照工艺流程可以分为PAN碳纤维和炭素化纤维。
碳纤维_论文
碳纤维在航空航天中的应用摘要:碳纤维就是纤维状的碳，由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。
本文将针对碳纤维的结构、性能、制备方法及其在航空航天中的应用介绍。
引言20世纪纳米科技取得了重大发展，而纳米材料是纳米技术的基础，碳纤维是一种比强度比钢大，比重比铝轻的材料，它在力学，电学，热学等方面有许多特殊性能，碳纤维的强度比玻璃钢的强度高；同时它还具有优异的导电、抗磁化、耐高温和耐化学侵蚀的性能，被认为是综合性能最好的先进材料，因此它在各个领域中的应用推广非常迅速。
在近代工业中，特别是在航空航天中起着十分重要的作用。
1.碳纤维的概念碳纤维就是纤维状的碳，由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。
有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。
2.碳纤维的结构碳纤维的结构决定于原丝结构和炭化工艺。
对有机纤维进行预氧化、炭化等工艺处理，除去有机纤维中碳以外的元素，形成聚合多环芳香族平面结构。
在碳纤维形成过程中，随着原丝的不同，质量损失可达10~80％，形成了各种微小的缺陷。
但无论用哪种材料，高模量的碳纤维中的碳分子平面总是沿纤维轴平行的取向。
用x一射线、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。
碳纤维呈现乱层石墨结构。
在乱层石墨结构中，石墨层片仍是最基本结构单元，一般由数张到数十张层片组成石墨微晶，这是碳纤维的二级结构单元。
层片之间的距离叫面间距d，由石墨微晶再组成原纤维，其直径为50nm左右，长度为数百nm，这是纤维的三级结构单元。
碳纤维比热容和导热系数
碳纤维热学性质简述碳纤维是一种高性能材料，具有轻质、高强度、高刚性和耐腐蚀等优点，广泛应用于航空、汽车、体育器材等领域。
碳纤维的比热容和导热系数是其热学性质的重要组成部分，对于正确设计碳纤维制品的热性能具有重要意义。
比热容比热容是指物体单位质量在温度变化下吸收或释放的热量。
它反映了物质在热量传递过程中的贮存和转移能力，是决定物质热性能的重要参数。
碳纤维的比热容通常采用实验方法进行测量。
根据实验结果，碳纤维的比热容与温度有一定的关系。
在低温下，碳纤维的比热容较小，随着温度的升高，比热容逐渐增加。
这种变化趋势与碳纤维的微观结构有关。
碳纤维的内部结构由许多石墨晶体组成，这些晶体在低温下具有较少的自由电子，因此比热容相对较低。
随着温度的升高，自由电子的能量增加，参与热传递的振动和自由电子的运动也增强，从而导致比热容的增加。
导热系数导热系数是指物体在单位厚度、两侧温度差为时，单位时间内通过单位面积的热量。
它反映了物质在导热过程中的传递能力，是决定物质热性能的另一个重要参数。
碳纤维的导热系数同样采用实验方法进行测量。
实验结果表明，碳纤维的导热系数较低,通常在0.002-0.006W∕m∙K之间。
这种低导热系数的原因在于碳纤维的微观结构。
碳纤维内部由许多石墨晶体组成，这些晶体之间的界面具有较高的热阻，因此热量在碳纤维内部的传递受到限制。
止匕外，碳纤维中自由电子的含量较少，这也限制了碳纤维在导热过程中的传导能力。
然而，值得注意的是，碳纤维的比热容和导热系数并不是常数，而是随温度和压力等条件的变化而变化。
例如，在高温高压条件下，碳纤维内部的石墨晶体结构可能会发生变化，导致比热容和导热系数的改变。
因此，在实际应用中，需要根据具体条件对碳纤维的热学性质进行评估和优化。
应用碳纤维的比热容和导热系数对于设计碳纤维制品的热性能具有重要意义。
在实际应用中，需要根据具体需求和使用环境来选择合适的碳纤维材料。
例如，在航空领域，为了确保飞机在极端温度下的安全运行，需要评估碳纤维复合材料在各种温度下的热性能。
碳纤维显微结构
碳纤维显微结构引言碳纤维是一种由碳元素构成的纤维材料，具有轻质、高强度和优异的导电性能等特点，广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。
为了更好地理解和应用碳纤维材料，对其显微结构进行研究是必不可少的。
本文将介绍碳纤维的显微结构及其特点。
一、碳纤维的组成碳纤维是由碳元素构成的纤维状材料，其主要成分是纯度较高的碳素，通常超过90%。
碳纤维的结构主要由纤维束、纤维束间的空隙和纤维内部的结构组成。
二、碳纤维的显微结构1. 纤维束碳纤维通常由多根纤维束组成，纤维束之间通过树脂等材料黏合在一起。
纤维束的直径一般在5-10微米之间，长度可达数厘米至数十厘米。
纤维束的数量和排列方式影响着碳纤维的力学性能和导电性能。
2. 纤维束间的空隙纤维束之间存在一定的空隙，这些空隙可以填充树脂等材料，增加碳纤维的强度和硬度。
空隙的存在也使得碳纤维具有较好的吸音性能和导热性能。
3. 纤维内部的结构碳纤维的内部结构由多层石墨状结构构成，这些石墨层平行排列在纤维的主轴方向上。
石墨层之间由共价键和范德华力相互作用而保持稳定。
石墨层的排列方式和数量决定了碳纤维的力学性能和导电性能。
三、碳纤维的特点1. 高强度碳纤维的单根纤维强度比钢铁高几倍甚至几十倍，是一种很强的结构材料。
碳纤维在拉伸过程中会逐渐断裂，而不会出现塑性变形。
2. 轻质碳纤维的密度较低，约为1.7-1.9g/cm³，是钢铁的1/4-1/5，铝的1/3。
因此，使用碳纤维材料可以减轻结构的重量，提高整体性能。
3. 导电性能碳纤维具有良好的导电性能，可以用于制造导电材料和电子元器件。
碳纤维的导电性能与其内部石墨层的排列方式和数量有关，导电性能较好的碳纤维通常具有较高的纤维密度。
4. 耐高温性能碳纤维的石墨层结构使其具有较好的耐高温性能，可以在高温环境下长时间稳定运行。
这使得碳纤维在航空航天领域得到广泛应用。
结论碳纤维的显微结构是由纤维束、纤维束间的空隙和纤维内部的石墨层结构组成的。
碳纤维
我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维。
碳纤维的生产现状
世界PAN 基碳纤维的主要生产厂商有：
日本 Toray(东丽) 、Toho (东邦) 、Mitsubishi Rayon (三菱人造丝) ,美国 Hexcel (赫克塞尔) 、Amoco (阿 莫科) 和 Zoltek (卓尔泰克) 等公司。
加氢 各种 沥青
预中间相 沥青 拟 似 中 间 潜在中间 相 相沥青 加氢 中间相 沥青
各向同性 熔 沥青纤维 融 纺 丝 各向异性 沥青纤维
氧 化 不 熔 化 250 | 400 ℃
炭 各向同性 化 不熔纤维 1100 | 1800 ℃ 各向异性 各向异性 高性能 不熔纤维 碳纤维 各向异性 不熔纤维
活性碳纤维
按力学性能 通用级 高性能 标准型 高强型 高模型 高强高模型
长丝
按制品形态
束丝短纤维 超细短纤维 织物等
碳纤维的结构
条带模型 微原纤结构模型 皮芯结构 三维结构模型 葱皮结构
碳纤维结构的条带模型
碳纤维的微原纤模型
碳纤维的皮芯结构模型
高模量碳纤维的三维结构模型
碳纤维的葱皮结构与石墨晶须的结构模型
方法：将碳纤维在密闭的石墨化炉中、2000℃以
上、惰性气体保护下处理。 变化： 石墨化处理过程中，纤维结构得到完善， 非碳原子几乎全部排除，C—C键重新排列，结晶 碳的比例增多，纤维取向度增加。纤维内部由紊
乱的乱层石墨结构转变为类似石墨的层状结晶结
构。
PAN纤维在热处理过程中化学反应 历程及结构分析
2004年我国碳纤维用量为4 000 t ,其中体育休闲领域需求量 约占87 % ,一般产业需求量约占11 % ,军工领域需求量约占 2 % ,到2009 年碳纤维需求将达到7 500 t/ a 。
碳素纤维韧带组成
碳素纤维韧带组成
1.碳纤维：
碳纤维是主要的组成部分，它是通过将有机前驱体（如聚丙烯腈、粘胶纤维或沥青等）经过一系列化学处理和高温热解过程后得到的含碳量极高的纤维状材料。
碳纤维具有非常高的强度重量比以及模量，这意味着它们在单位重量下能承受极大的拉力，并且弹性恢复性能优异。
2.树脂基体：
碳纤维单独使用时并不具备实际应用所需的塑性和成型性，因此常与树脂结合形成复合材料。
树脂基体常见的有环氧树脂、聚酯树脂、酚醛树脂等，它们可以很好地浸润碳纤维并固化，形成坚固而有韧性的碳纤维复合材料。
在这种情况下，碳纤维韧带实际上是碳纤维增强树脂基复合材料的一种形式，碳纤维束被包覆在树脂中，通过适当的制造工艺（例如缠绕、编织或预浸料压制等）来实现其特定形状和性能要求。
碳纤维原理
碳纤维原理
碳纤维是一种由碳原子构成的纤维材料，具有很高的强度和轻质特性。
它的制备过程包括了石油基聚合物纤维原料经一系列加工工艺而得到，经纺纱、预浸料制备、炭化和高温石墨化等步骤，最终形成了具有优异性能的碳纤维材料。
碳纤维的优点之一是其在比重方面的轻量化特性。
由于碳纤维具有较低的密度，相比于许多金属材料，它的重量更轻。
这使得碳纤维在航空航天、汽车制造、体育器材等领域有广泛的应用。
此外，碳纤维还具有高强度和高刚性的特性，它的强度比钢铁高几倍，而且刚性也更好。
这些特性使得碳纤维在需要承受较大载荷的结构中表现出色。
碳纤维的原理主要依赖于其微观结构。
碳纤维的纤维内部由许多长而细的纤维束组成，而这些纤维束又是由许多更细的碳纤维单丝构成。
这种特殊的结构使得碳纤维具有优异的力学性能。
在拉伸力作用下，碳纤维单丝会承受拉力并传递给相邻的纤维，从而形成了纤维色散状结构，增加了整体材料的强度和韧性。
在碳纤维的制备过程中，还有一些影响其性能的关键因素。
其中最重要的一点是炭化处理，这是使碳纤维具有高强度和高模量的关键步骤。
在炭化过程中，纤维材料会经过高温处理，使得其中的杂质和非碳元素被去除，进而形成纯碳纤维。
炭化处理的温度和时间对最终碳纤维的性能有着重要影响，需要根据具体应用需求进行调控。
总的来说，碳纤维的原理依赖于其特殊的微观结构和制备过程。
通过控制材料组成和制备条件，可以获得具有优异性能的碳纤维材料，广泛应用于各个领域。
碳纤维——精选推荐
高性能纤维——碳纤维碳纤维是由碳元素组成的纤维，其90％以上的组成元素为比金刚石结构规整性稍差，力学性能也较金刚石稍差。
碳纤维结构近乎石墨结构，所以也具有很高的抗拉强度和模量。
其强度约为钢的四倍，密度仅为钢的四分之一。
碳纤维具有很高的比强度和比模量。
具有耐高温、使用温度2000℃。
在3000 ℃非氧化气氛中劳等一系列优良性能。
既可以作为结构材料承载负荷，又可以作为功能材料发挥按原料分粘胶基碳纤维（Rayon基CF）聚丙烯腈基碳纤维（PAN基CF）沥青基碳纤维（Pitch 基CF）目前能够工业化生产按制造步骤分碳纤维（C F）石墨纤维（G F）活性碳纤维（ACF）按力学性能分通用级(GP) 高性能级(HP)具有图示的结构，这种结构容易形成共轭结构的梯形高分子，使其能够承受较快的速度热解而保持原有的纤维状基本结构。
强度的进展:碳纤维之所以具有很高的抗拉强度主要由于类石墨高度取向。
其基本结构如图所示。
层片分子取向度主要因素。
碳纤维内部结构示意图N大分子结构式:CH 2CH CNn但是，由于其大分子链上有强极性和体积较大的氰基，使其分子间形成强的偶极力。
氰基的氮原子能与相邻分C CN H C CNCH2CH2C CN H C CNCH2CH2HC CN C CNPAN纤维的x-射线衍射图有二个显著特点：有明显的反射点（2）不存在晕圈只是二维有序，没有严格的结晶结构，只有相对有序的区域，形成所谓准结晶态在光学显微镜和电子显微镜下能直接观察到的纤维结构 截面形状原纤表面形态不同的溶剂路线，不同的工艺路线得到的PAN纤维形态结构也不一样。
纤各结其性的石墨晶体理论强度184GPa碳纤维实际强度9GPa 缺陷是影响碳纤维强度的主要因素，碳纤维的整个制且在向碳纤维的结构转化过程产生较少新的缺陷。
⏹原料及环境污染，以无机盐水溶液作溶剂湿法纺丝所得PAN 纤维，这类污染更多一些。
⏹直径为1-4微米带有典型的双圆锥空间的有机杂质，形状象彼此连接成群，这种缺陷主要呈现在湿法纺制的纤维中。
碳纤维负膨胀系数原理
碳纤维负膨胀系数原理
碳纤维是一种轻而坚固的材料，它具有负的膨胀系数。
这意味
着在一定温度范围内，随着温度的升高，其长度会缩短而不是延长。
这种特性可以归因于碳纤维的结构和原理。
碳纤维由碳原子通过化学气相沉积或炭化聚合物制成，形成了
纤维状的结构。
这种结构使得碳纤维具有高强度和低重量的特点，
因此被广泛应用于航空航天、汽车和体育器材等领域。
而其负膨胀
系数的原理主要与其结构和原子间的相互作用有关。
在一般情况下，物质受热会膨胀，这是由于其分子或原子受热
后具有更大的平均振动幅度，从而使整体体积增大。
然而，碳纤维
由于其特殊的结构，其原子间的相互作用方式导致了与常规材料不
同的热膨胀行为。
碳纤维的结构中存在着大量的碳-碳键，这种键的特性使得在一
定温度范围内，随着温度的升高，碳纤维的结构会发生微小的内部
结构变化，导致整体长度缩短。
这种微观结构的变化是导致碳纤维
负膨胀系数的主要原因。
因此，碳纤维的负膨胀系数原理可以简单概括为其特殊的结构和碳-碳键的相互作用方式所导致的热膨胀行为。
这种特性使得碳纤维在一些需要稳定尺寸的高温环境下具有独特的应用优势，例如航空航天领域的热控制系统和精密仪器的制造等。
当然，对于具体的碳纤维材料，其负膨胀系数的数值和温度范围还会受到其制备工艺和具体结构的影响，需要具体分析具体情况。
第三章第二节 碳纤维
过予氧化处理后才能满足这个要求。
2.2 CF分类
按原丝类型
按碳纤维性能
CF分类方法
按制造条件和方法
2.3 CF的制造
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。
碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。 碳元素根据形态的不同，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。
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。
b.纺丝
通常采用湿法纺丝，而不用干法纺丝？
（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。）
湿法：
纺丝原液→喷丝头→凝固浴(溶剂的水溶液)→水洗、拉伸等
0.10 4.67 126
2.65 2.40
0.01 5.25 141
2.85 2.60
原 丝
强度 （CN/dtex） 模量 （CN/dtex）
碳 纤 维
强度（Gpa） 模量（Gpa）
近年来发展起来的纺制高强度和高取向度原丝的 新方法：干湿法纺丝
干喷湿纺示意图
干湿法纺丝的特点：
喷丝孔孔径较大(0.1-0.3mm),可使高粘度纺丝液成纤； 可提高纺丝速度； 易得到高强度高取向的原丝，且原丝结构均匀致密； 强度比湿纺原丝提高50%以上。
3) 预氧化
在200~300℃下氧化气氛中（空气）受张力的情况下进 行。
预氧化的目的：
使纤维分子中含有羟基、羰基，这样可以在分子内和分 子间形成氢键，提高热稳定性，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。
碳纤维 热衰减
碳纤维热衰减碳纤维热衰减碳纤维是一种由碳元素组成的纤维材料，具有轻质、高强度和优异的热性能特点。
然而，随着温度的升高，碳纤维的性能会发生变化，其中一个重要的影响因素就是热衰减。
热衰减是指材料在高温条件下由于热能的作用而导致性能下降的现象。
对于碳纤维来说，热衰减主要表现为强度和模量的降低。
这是由于高温下，碳纤维内部的结构发生变化，导致纤维间的键合力减弱，从而影响了材料的力学性能。
碳纤维的热衰减现象是由于高温下碳纤维分子内部的结构发生变化引起的。
在常温下，碳纤维的结构是由大量的纳米级碳纤维束组成的。
这些纤维束之间通过键合力相互连接，形成了整体的碳纤维结构。
然而，当温度升高时，碳纤维内部的键合力会减弱，使得纤维束之间的相互作用力变弱。
这导致了碳纤维的强度和模量下降。
碳纤维的热衰减现象对于其在高温环境下的应用带来了一定的限制。
例如，在航空航天领域，碳纤维被广泛应用于制造飞机和航天器的结构部件。
然而，由于碳纤维在高温下的热衰减问题，限制了它在高温环境下的使用温度范围。
为了解决碳纤维的热衰减问题，研究人员采取了一系列的措施。
一方面，可以通过调整碳纤维的结构和组成来提高其高温性能。
例如，采用更高强度的碳纤维原料、增加纤维束之间的键合力等。
另一方面，可以采用复合材料的方式，将碳纤维与其他高温稳定的材料结合在一起，以提高整体材料的高温性能。
研究人员还在热衰减方面开展了许多研究工作。
他们通过实验和数值模拟等手段，研究了碳纤维在高温下的微观结构和力学性能变化规律。
通过深入理解碳纤维的热衰减机制，可以为碳纤维的高温应用提供有力的理论依据。
碳纤维的热衰减是由于高温条件下碳纤维内部结构的变化所导致的。
这一现象限制了碳纤维在高温环境下的应用。
为了解决热衰减问题，研究人员通过调整碳纤维的结构和组成，以及采用复合材料的方式来提高碳纤维的高温性能。
此外，研究人员还在热衰减方面进行了深入的研究，为碳纤维的高温应用提供了理论依据。
希望随着科学技术的不断进步，碳纤维的热衰减问题能够得到有效解决，为碳纤维的广泛应用打开更大的空间。
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碳纤维内部结构
碳纤维（Carbon fiber）是一种先进的复合材料，有着高强度、轻质、耐腐蚀等优良性能，在航空、航天、汽车、体育器材等领域得到广泛
的应用。
那么，碳纤维的内部结构是怎样的呢？
首先，碳纤维的主要成分是碳，是经过高温炭化处理的有机纤维。
其
内部结构主要由两个方面组成：纤维层次结构和碳化程度。
纤维层次结构是指碳纤维内部的纤维排列方式和层次。
通常来说，它
包括纤维的微观结构和纤维的宏观层次结构。
纤维的微观结构是指半
晶体的排列方式，通常是层板状的结构，也有一些是类似于筒状的结构。
纤维的宏观层次结构是指多个纤维的排列方式和组合方式。
例如，碳纤维可以分为单向纤维、双向纤维和多向纤维等不同类型，每种类
型的纤维层次结构都不同。
接着，碳化程度影响着碳纤维内部结构的性能。
碳化程度是指碳纤维
在高温条件下进行碳化处理的程度。
碳化程度越高，碳纤维内部的结
晶程度越高，纤维之间的结合力也越强，因此强度和刚度也越高。
同时，碳化程度还会影响到碳纤维的密度，通常情况下，碳化程度越高，密度越大。
总体来说，碳纤维的内部结构是由纤维层次结构和碳化程度两个方面组成的。
碳纤维内部的结构和性能直接关系到其在不同领域的应用。
因此，为了更好地使用碳纤维，我们需要更深入地了解碳纤维的内部结构，以发挥其最优良的性能。