碳纤维的分类与制造
碳纤维综述
碳纤维综述碳纤维指在化学组成中碳元素质量分数在 90%以上的纤维材料，是20世纪60年代开发成功的一种耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、高强度、高模量新型碳材料。
碳纤维可采用聚丙烯腈纤维（PAN 纤维）、沥青纤维、粘胶纤维或木质素纤维等经过氧化、低温碳化、高温碳化而制成。
广泛应用于航空航天、体育休闲用品和一般工业领域。
碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用。
碳纤维是上世纪 60 年代兴起的一种新型高性能材料，它具有很多优点，是一种理想的功能材料和结构材料。
起初是为宇航工业和军用飞机的需要发展起来的，但是如今己经广泛应用于商业、民用航空、文体、工业以及运输等领域，具有广阔的应用前景。
高性能碳纤维复合材料的开发应用，进一步促进了碳纤维工业的发展[1]。
[2]二：碳纤维的分类碳纤维一般按原料不同、性能、用途来进行分类。
具体分类如下：（1）碳纤维纸根据其原料不同分为：聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维三种。
（2）碳纤维按性能可分为：高性能碳纤维和低性能碳纤维。
其中高性能碳纤维有分为高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等类型。
低性能碳纤维分为耐火碳纤维、石墨碳纤维等类型。
（3）按用途不同分为五个等级：高模量（模量＞500GPa）、高强度（强度＞3GPa）、中模量（模量100～500GPa）、低模量（模量100～200GPa）、普通用途(模量＜100GPa ，强度＜1 GPa）[3]。
三：碳纤维的性能碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，是一种力学性能优异的新材料。
碳纤维具有一些非常优异的特性:抗拉强度高，可高达3000~4000MPa，比钢高4倍，比铝高6一7倍;弹性模量高，可高达600GPa;密度小、比强度高，碳纤维的密度是钢的1/4，是铝的1/2，比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍。
此外，还有耐高低温性能好，当温度高于400℃时，才出现明显的氧化，生成Co和Co2 ; 在非氧化气氛中，可在2000℃使用，即使在3000℃也不熔、不软;在-180℃下，钢铁都变得比玻璃脆，而碳纤维依旧很柔软; 耐腐蚀性强，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等，将碳纤维放在浓度为50%的盐酸、硫酸和磷酸中，200天后其弹性模量、强度和直径基本没有变化，其耐腐蚀性比黄金还好;热膨胀系数小、摩擦系数小和导热系数大，可以耐急冷急热，即使从3000℃降到室温也不会炸裂;导电性能好，电阻率为10-2 ~ 10-4Ω.cm;与其它材料相容性高、与生物的相容性好;又兼备纺织纤维的柔软，可加工性，设计自由度大，可进行多种设计，以满足不同产品的性能与要求。
碳纤维规格分类
碳纤维规格分类
碳纤维是一种轻质高强度的材料，被广泛应用于航空航天、汽车、运动器材等领域。
碳纤维的规格分类主要是根据其纤维的细度和数目来划分的。
1. 细度分类
碳纤维的细度通常用直径（或面积）来表示，常用的单位是微米（μm）。
按照细度分类，碳纤维可以分为以下几类：
- 高弹模碳纤维：细度在5-7μm之间，弹性模量高，适用于需要高刚度和强度的领域。
- 中等强度碳纤维：细度在7-8μm之间，弹性模量适中，适用于需要高强度和刚度的领域。
- 高强度碳纤维：细度在8-10μm之间，弹性模量适中，适用于需要高强度和轻量化的领域。
- 超高强度碳纤维：细度在10μm以上，弹性模量高，适用于需要极高强度和刚度的领域。
2. 数目分类
碳纤维的数目指的是单位面积上纤维的数量，常用的单位是每平方厘米的纤维数（个/cm）。
按照数目分类，碳纤维可以分为以下几类： - 稀疏碳纤维：每平方厘米的纤维数小于1000个/cm，适用于低要求的领域。
- 中等碳纤维：每平方厘米的纤维数在1000-2000个/cm之间，适用于一般要求的领域。
- 密集碳纤维：每平方厘米的纤维数大于2000个/cm，适用于高要求的领域。
综合细度和数目分类，可以得出不同规格的碳纤维产品，满足不同领域和应用的需求。
碳纤维分类标准
碳纤维分类标准
1. 碳纤维按原料分，就像做饭用不同食材一样，有 PAN 基碳纤维，这就好比我们常用的大米呀，用处广泛着呢！比如好多高端的自行车车架就是用它做的！
2. 还有沥青基碳纤维哦，它就像是独特风味的调料，虽然不那么常见，但在一些特殊领域可是大显身手，像一些高温环境下的零部件就有它的身影！
3. 按性能来分呢，也有高强型碳纤维呀，嗨，这简直就是个大力士，能承受超强的力量，航空航天领域可少不了它的助力！
4. 中强型碳纤维也有它的用武之地呀，就好像团队里可靠的中间人，虽然不是最突出的，但也是不可或缺的，一些日常的工业制品中就能见到它啦！
5. 高模型碳纤维呢，那像是舞蹈家一样，柔韧性超棒的，在对精度要求高的地方可吃香了，比如精密仪器的制作！
6. 按丝束大小分，小丝束碳纤维就跟小巧玲珑的宝石似的，精致且珍贵，往往用在要求非常高的地方，像一些医疗器材！
7. 大丝束碳纤维呢，那就是大块头有大用处呀，在大规模的生产中那可是发挥大作用，比如风力发电的叶片制造！
8. 碳纤维还能按用途分类呢，竞技体育领域用到的碳纤维，那就是让运动员如虎添翼的利器，能提升装备的性能呀！
9. 民用领域的碳纤维，就像是我们生活中的好帮手，让各种产品更轻便、更耐用呀！总之，碳纤维的分类标准可多了，每个分类都有它独特的魅力和价值呢！。
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
碳纤维分类与定义
炭纤维分类和定义按原丝类型分类：适用于制造炭纤维的前躯体材料类型很多，来源广泛。
最常用的原材料有粘胶材料（Rayon）、聚丙烯腈纤维（PAN）、沥青纤维（Pitch）和各种气态的碳氢化合物，这些前躯纤维材料在相应的工艺条件下，经过热解、催化热解和炭化形成或生成相应的炭纤维。
粘胶基炭纤维是由粘胶原丝经过化学处理、炭化处理和高温处理制成的炭纤维。
从结构上看粘胶基炭纤维通常为各向同性的炭纤维。
此类炭纤维的原纤维（即粘胶纤维）中，通常碱金属含量比较低，如钠含量一般小于25 ppm，全灰分含量的也不大于200ppm，所以，它特别适用于制作那些要求焰流中碱金属离子含量低的烧蚀防热型的复合材料聚丙烯腈基炭纤维是聚丙烯腈原丝经过预氧化处理、炭化和在尽可能高的温度下热处理制成的炭纤维。
沥青基炭纤维可分为各向同性沥青基炭纤维和各向异性沥青基炭纤维两大类。
由各向同性的沥青纤维经过稳定化、炭化而制得的炭纤维称为各向同性沥青基炭纤维，即力学性能较低的通用级沥青基炭纤维；由拟似中间相沥青或中间相沥青经过纺丝工序转变为沥青纤维，再进行稳定化、炭化和适当的高温处理而制得的纤维称为各向异性的沥青基炭纤维。
气相生长炭纤维是以碳氢气体为原材料，借助固体催化剂（如铁或其他过渡金属）的帮助生长的炭纤维。
气相炭纤维由可石墨化炭组成，通过2800度的高温可以转变为石墨纤维。
按力学性能分类高模型炭纤维（HM）。
这是一种沿纤维轴向方向的弹性模量相当于石墨单晶弹性常数（炭纤维模量的理论值）的30%以上、且拉伸强度与弹性模量之比小于1%的炭纤维。
高强型炭纤维（HT）。
通常这类炭纤维的拉伸强度超过3000MPa，其强度与刚度之比值约为1.5%~2.0%。
中模型炭纤维（IM）它基本上是属于高模型一类的炭纤维，又称为高强中模型炭纤维。
其拉伸强度与高强型炭纤维相当，只是模量值稍高，可以达到炭纤维理论值的30%，强度与模量之比值仍然高于1%。
这类纤维的应用最为普遍，常用来制作各类结构复合材料。
碳纤维管分类标准
碳纤维管分类标准碳纤维管是一种由碳纤维制成的管状材料。
根据其特性和应用领域的不同，碳纤维管可以分为多个分类。
下面将从不同的角度对碳纤维管进行分类介绍。
一、按照材料组成分类1. 纯碳纤维管：由纯碳纤维制成，具有较高的强度和刚度，同时具备轻质化的优势。
常用于航空航天、运动器材等领域。
2. 碳纤维复合管：由碳纤维和其他材料（如环氧树脂）复合制成，可以根据需求调整材料配比，以获得更好的性能。
广泛应用于机械、汽车、建筑等领域。
二、按照制造工艺分类1. 卷绕碳纤维管：通过将碳纤维在模具上进行卷绕，再进行热固化处理而制成。
具有较好的强度和耐磨性，常用于航空航天、船舶等领域。
2. 拉伸碳纤维管：将碳纤维束进行拉伸并加热处理，使其形成管状结构。
具有较高的强度和刚度，常用于体育器材、航空航天等领域。
3. 注塑碳纤维管：将碳纤维与树脂混合后注入模具，并进行热固化处理。
具有较好的表面光洁度和尺寸稳定性，常用于电子产品、汽车零部件等领域。
三、按照外观形状分类1. 圆形碳纤维管：外观呈圆柱形，是最常见的碳纤维管形状。
广泛应用于机械、航空航天、运动器材等领域。
2. 方形碳纤维管：外观呈方形或矩形，具有较好的抗扭转性能。
常用于建筑、桥梁等领域。
3. 不规则碳纤维管：外观形状不规则，根据具体需求进行设计和制造。
常用于特殊场景下的应用，如医疗器械、船舶等领域。
四、按照应用领域分类1. 航空航天领域碳纤维管：具有轻质高强度的特点，常用于制造飞机、火箭等航空航天器材。
2. 运动器材领域碳纤维管：具有高强度和良好的刚性，常用于制造高尔夫球杆、自行车车架等运动器材。
3. 机械领域碳纤维管：具有优异的强度和刚度，可以替代传统金属材料，用于制造机械零部件、轴承等。
4. 建筑领域碳纤维管：具有轻质高强度的特点，常用于加固和修复混凝土结构、制造建筑材料等。
碳纤维管可以根据材料组成、制造工艺、外观形状和应用领域进行分类。
不同类别的碳纤维管具有不同的特点和应用范围，可以根据具体需求选择适合的碳纤维管进行应用。
碳纤维
碳纤维1.碳纤维的概念碳纤维，英文为Carbon Fiber，简称CF。
碳纤维是指由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，是纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。
2．碳纤维的结构碳纤维的分子结构介于石墨与金刚石之间。
目前公认的碳纤维结构是由沿纤维轴高度取向的二维乱层石墨组成。
微晶的形状、大小、取向以及排列方式与纤维的制备工艺相关。
3.碳纤维的性质碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,是一种的力学性能优异的新材料。
碳纤维拉伸强度约为2到7GPa，拉伸模量约为200到700GPa。
密度约为1.5到2.0克每立方厘米，这除与原丝结构有关外，主要决定于炭化处理的温度。
一般经过高温3000℃石墨化处理，密度可达2.0克每立方厘。
再加上它的重量很轻，它的比重比铝还要轻，不到钢的1/4，比强度是铁的20倍。
碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同，它有各向异性的特点。
碳纤维的比热容一般为7.12。
热导率随温度升高而下降平行于纤维方向是负值（0.72到0.90），而垂直于纤维方向是正值（32到22）。
碳纤维的比电阻与纤维的类型有关，在25℃时，高模量为775，高强度碳纤维为每厘米1500。
这使得碳纤维在所有高性能纤维中具有最高的比强度和比模量。
同钛、钢、铝等金属材料相比，碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，可以称为新材料之王。
碳纤维除了具有一般碳素材料的特性外，其外形有显著的各向异性柔软，可加工成各种织物，又由于比重小，沿纤维轴方向表现出很高的强度，碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。
碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500兆帕以上，是钢的7到9倍，抗拉弹性模量为230到430G帕亦高于钢；因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000兆帕以上，而A3钢的比强度仅为59兆帕左右，其比模量也比钢高。
碳纤维简介
3.体育休闲用品
• 体育应用中的三项重要应用为高尔夫球棒、 钓鱼杆和网球拍框架。 • 全世界40%的碳纤维高尔夫球棒都是由东丽 公司的碳纤维制成的。 • 全世界碳纤维钓鱼杆的产量约为每年2000万 副。 • 网球拍框架的市场容量约为每年600万副,其 它的体育项目应用还包括冰球棍、滑雪杖、 射箭和自行车,同时,碳纤维还应用在划船、 赛艇、冲浪和其它的海洋运动项目中。
沥青基碳纤维目前主要有两种类型：
力学性能较低的所谓通用级沥青基碳
纤维－－各向同性沥青碳纤维；
拉伸强度特别是拉伸模量较高的中间
相沥青基碳纤维－－各向异性沥青基 碳纤维。
• 碳纤维的生产工艺特点：
• 碳纤维生产工艺流程长、技术关键点多,是 一种多学科、多技术的集成工艺。制约我国 碳纤维发展的主要原因是PAN原丝质量不过 关,还有生产技术及设备等问题导致碳纤维 产品收率低下,生产成本较高。通常,原丝成 本占碳纤维生产成本的50%～65%,制约着碳 纤维的稳定生产和生产成本。
径在50nm左右，弯曲，彼此交叉的许多条带
状组成的结构。
碳纤维的皮芯层结构：
碳纤维由皮层、芯层及中间过渡区组成。
• 皮层：微晶较大，排列有序。 • 芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。
基本性质
碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中 含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模 量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金 属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的 密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损 伤，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。
• 材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模 量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上 已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。
碳纤维布规格分类
碳纤维布规格分类碳纤维布是一种以碳纤维为原料制成的织物，具有轻质、高强度、高刚度、耐腐蚀、抗疲劳等优异的性能，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材、建筑材料等领域。
根据不同的使用要求和工艺需求，碳纤维布可以分为多种规格和分类。
一、按照纤维方向分类1. 平纹碳纤维布：平纹碳纤维布是最常见的一种分类，其中的纤维以水平和垂直两个方向呈现平行纺织的规律，形成六方形的格子。
平纹碳纤维布具有纤维分布均匀、强度高、表面光洁等特点，适用于需要提高整体强度和刚性的应用领域。
2. 斜纹碳纤维布：斜纹碳纤维布的纤维方向呈现斜45度的角度，可以提供更好的柔韧性和耐刮擦性能。
斜纹碳纤维布一般用于有弯曲和复杂曲线结构的应用，例如体育器材、汽车零件等。
3. 疏纹碳纤维布：疏纹碳纤维布是将纱线随机织造而成的，纤维分布较为杂乱，具有较好的柔韧性和吸音性能，适用于某些特殊场合，如音响箱体、船艇衬垫等。
二、按照纤维重量分类1. 200g/m2以下：这种重量级的碳纤维布一般适用于需要较轻质结构的应用，比如航空航天领域的航模、轻型飞机、航天器件等。
2. 200g/m2-300g/m2：属于中等重量级的碳纤维布，广泛应用于汽车、船舶、体育器材、建筑材料等领域，可以提供更高的强度和刚度。
3. 300g/m2以上：相对于前两种重量级，300g/m2以上的碳纤维布更为厚实和坚固，适用于某些需要超强结构的应用，例如赛车模型、高强度零件等。
三、按照纺织方式分类1. 纺机织碳纤维布：这种碳纤维布是通过采用大型纺织机进行织造得到的，具有良好的一致性和可重复制造性，广泛应用于大批量生产的领域，例如汽车、航空、体育器材等。
2. 手工织碳纤维布：手工织碳纤维布是由人工进行织造的，工艺复杂且时间成本较高，但可以得到更精细的织物结构。
手工织碳纤维布一般用于一些小批量、特殊要求的应用，如艺术品、高端定制品等。
以上是碳纤维布的规格分类及相关参考内容。
无论是按照纤维方向、纤维重量还是纺织方式，都会对碳纤维布的性能和应用产生不同的影响，因此在选择碳纤维布时，需要根据具体的使用需求和工艺要求来确定合适的规格分类。
碳纤维的分类
碳纤维的分类1. 引言碳纤维是一种高强度、低密度的材料，具有优异的机械性能和化学稳定性，在航空航天、汽车、体育用品等领域得到广泛应用。
碳纤维根据其结构和特性可以被分为不同的类别，本文将对碳纤维的分类进行全面、详细、完整且深入地探讨。
2. 基于生产工艺的分类根据碳纤维的生产工艺，可以将其分为以下几类：2.1 气相成熟法碳纤维气相成熟法碳纤维是一种常用的生产工艺，其主要步骤包括原料预处理、聚合物纺丝、炭化和热处理等。
这种碳纤维具有优异的机械性能和高温稳定性，广泛应用于航空航天领域。
2.2 熔融纺丝法碳纤维熔融纺丝法碳纤维是通过将碳纤维前驱体熔融，并通过纺丝和拉伸等步骤制备而成。
相比于气相成熟法碳纤维，熔融纺丝法碳纤维的生产过程更简单，但其机械性能和热稳定性稍逊。
熔融纺丝法碳纤维主要应用于汽车和体育用品等领域。
2.3 化学气相沉积法碳纤维化学气相沉积法碳纤维是一种通过化学反应在载体上沉积碳纤维的方法。
这种方法可以在较低的温度下制备碳纤维，且可以控制纤维的形貌和结构。
化学气相沉积法碳纤维在催化剂载体、电池电极等领域有广泛的应用。
3. 基于纤维结构的分类碳纤维的结构可以根据其在纤维中的排列方式进行分类，常见的碳纤维结构分类包括以下几种：单向碳纤维是指纤维的方向基本上保持在同一方向上，具有高强度、高模量的特点，适用于对拉伸性能要求较高的应用场合。
3.2 多向碳纤维多向碳纤维是指纤维在不同方向上都有一定的分布，具有比单向碳纤维更好的层合性能和抗冲击性能。
多向碳纤维常用于复合材料中，以提高材料的综合性能。
3.3 高弹性碳纤维高弹性碳纤维具有比较高的韧性和弯曲性能，可以在受到外力后迅速恢复原状。
这种碳纤维常用于需要有一定变形能力的应用场合，如体育器材等。
3.4 交联碳纤维交联碳纤维是指碳纤维与其他纤维或材料通过化学反应或物理链接相互交联。
这种碳纤维具有更复杂的结构和性能，常用于一些特殊的应用中，如航空航天领域的复合材料。
碳纤维标准
碳纤维标准碳纤维是一种高强度、高刚度、低密度的工程材料，具有优良的机械性能、耐高温性、抗腐蚀性等特点，在航空航天、汽车制造、体育器材等领域得到了广泛应用。
由于碳纤维制品在各个领域的应用方式和负荷情况不同，因此需要对其进行标准化管理，以确保其安全可靠。
本文将介绍碳纤维制品的标准。
1. 碳纤维制品分类标准碳纤维制品按其工艺和用途分类，主要分为以下几类：预浸料碳纤维复合材料、树脂基碳纤维复合材料、金属基碳纤维复合材料、陶瓷基碳纤维复合材料等。
预浸料碳纤维复合材料是将预处理的碳纤维布经过浸渍树脂，然后烘干而成的制品，具有严格的存储、处理、使用要求。
树脂基碳纤维复合材料是指碳纤维和树脂复合而成的制品，主要用于航空航天、汽车等高端制造领域。
陶瓷基碳纤维复合材料是指碳纤维和陶瓷复合而成的制品，具有优良的耐热性、抗氧化性、抗腐蚀性等特点。
碳纤维制品的质量标准包括以下几个方面：（1）外观质量：包括表面平整度、外观漏截、色泽等。
（2）物理性能：包括材料强度、硬度、伸长率等。
（3）结构性能：包括弯曲强度、剪切强度、压缩强度等。
（4）尺寸精度：包括长度、宽度、厚度等。
（5）热稳定性：包括热膨胀系数、热导率、热分解温度等。
（6）电学性能：包括导电率、电阻率等。
（1）使用安全：对于不同领域的碳纤维制品，在使用过程中需要符合相关的安全规定，并进行安全评估。
（2）环境安全：对于生产和使用过程中产生的废弃物需要进行合理的处理，不得对环境造成污染。
（3）技术安全：对于生产和使用过程中需要符合相关的技术标准和规定，确保产品的质量和可靠性。
碳纤维制品的标准化管理，可以确保其质量、性能和使用安全，促进其在各个领域的广泛应用。
同时，制定和实施标准也可以促进碳纤维材料产业的发展，推动碳纤维制品的创新和进步。
碳纤维
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碳纤维
碳纤维的定义 碳纤维的性质 碳纤维的分类 碳纤维的制备 碳纤维的应用碳纤维来自 碳纤维（carbon
fiber），有机纤维在惰 性气氛中经高温碳化而 成的纤维状碳化合物。 碳纤维也可以是指化学 组成中碳元素占总质量 90％以上的纤维
碳纤维的优异性能已得到大家的一致公认。由于 它能使运动物体更轻，故在运转过程中能节约大 量能量；由于材料耐腐蚀，物体的寿命更长，故 可节约原材料；由于可降低环境污染及在人体中 作生物材料，故直接关系到人体健康。碳纤维是 目前乃至今后相当长一段时间内鼓励优先发展的 高技术特种纤维之一。
碳纤维分类
按原丝类型
按碳纤维性能
CF分类方法 按碳纤维的功能
按制造条件和方法
碳纤维的制备
不同于有机纤维或无机纤维，不能用熔融法
或溶液法直接纺丝，只能以有机物为原料， 采用间接方法来制造。 世界上碳纤维的生产有粘胶基碳纤维、聚丙 烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维等三大加工方 法。
聚丙烯腈碳纤维
以聚丙烯腈（PAN）为原料制造的碳纤维
聚丙烯腈的结构：
均聚体的聚合物中存在大量的－CN基团， 大分子间作用力强，无侧链，使预氧化和 碳化生产周期长，成本高，强度低。
采用共聚体可解决上述问题，共聚体的原丝使活化能 降低，有利于促进环化和交联，缓和预氧化物放热反 应，改善纤维的致密性和均匀性。
PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段：
石墨化
在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加 压力，保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶 碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进 一步减小以提高碳纤维的弹性模量。
碳化：
在400℃～1900℃的惰性气氛中进行，碳纤维 生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等非碳 元素，改变了原PAN纤维的结构，形成了碳纤维。 碳化收率40％~45％，含碳量95%左右。
碳纤维分类
碳纤维分类
1、按原丝类型分类：聚丙烯腈（PAN）基、沥青基（各向同性、中间相）；粘胶基（纤维素基、人造丝基）。
其中，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维占据主流地位，产量占碳纤维总量的90%以上，粘胶基碳纤维还不足1%。
2、按照制造条件和方法分类：碳纤维（800-1600℃）、石墨纤维（2000-3000℃）、活性碳纤维、气相生长碳纤维。
3、按力学性能可分为通用型和高性能型：通用型碳纤维强度在1000MPa、模量在100GPa左右；高性能型又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa 以上），其中强度大于4000MPa的又称为超高强型，模量大于450GPa地称为超高模型。
4、按丝束大小可分为小丝束和大丝束：小丝束碳纤维初期以1K、3K、6K 为主，逐渐发展为12K 和24K，主要应用于航空航天、体育休闲等领域。
通常将48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K、60K、80K等，主要应用于工业领域。
碳纤维材料小知识
碳纤维应用实例
波音787
波音777
碳纤维应用实例
碳纤维应用实例
美称中国为歼20走私20吨碳纤维 每斤2000美元
2012年12月，联邦调查局宣布挫败了一起中国人试图非法获得碳纤维 的行为:被怀疑的物品是M60JB碳纤维，洽谈购买量达20吨，售价每公斤 2000美元（几乎是银价的2倍），是中国仍在开发之中的隐形战斗机（歼20,歼-31）的重要部件。据称，中国已经获得了某些这种纤维，（注，按 该说法，碳纤维每吨200万美元，20吨合计4000万美元，约2.5亿元人民 币。）
新一代LEAP涡扇发动机的风扇叶片
建造期间的国际空间站，其巨大的桁架 也由碳纤维复合材料制造
碳纤维应用实例
碳纤维应用实例
现在的F1（世界一级方 程锦标赛）赛车，车身大部 分结构都用碳纤维材料。顶 级跑车的一大卖点也是周身 使用碳纤维，用以提高气动 性和结构强度
碳纤维应用实例
兰博基尼生产中使用的碳纤维材料
二、热膨胀系数小
绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室内为负数(0.5～-1.6)×10-6/K，在200～400℃时为零，在小于 1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自 然比较稳定，可作为标准衡器具。
碳纤维数显卡尺
三、导热性好
通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导 热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、 传热均匀的导热壳体材料。
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。
生 产 方 式
通常采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、
腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑
料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中， 在一定压强下强热炭化而成。
碳纤维
碳纤维第一节碳纤维的分类及其特性 (2)1.1 碳纤维分类 (2)1.2 碳纤维性能 (2)第二节世界生产厂商 (3)2.1 国外厂商 (3)2.2 国内厂商 (4)第三节发展历史 (4)第四节世界产量 (5)第五节碳纤维制品形式 (5)5.1碳纤维毡的简介 (6)5.2碳纤维电热管介绍 (6)第六节碳纤维制备 (6)第七节碳纤维的用途 (6)7.1 体育用品 (6)7.2 航空、航天领域 (7)7.3一般产业用途 (7)碳纤维碳纤维是用含碳的有机纤维，在惰性气体中，经预氧化和高温碳化等多道工序，形成具有石墨状的结构，正是这一特殊结构使碳纤维获得了特殊的高性能。
由于碳纤维中的碳以共价碳的形式存在，沿晶格轴向分布，故而其强度高，弹性模量也高。
其强度比钢大4 倍，比铅大7 倍，比铝大12 倍。
抗变形能力比钢大2倍多，比玻璃纤维大5～6 倍。
碳纤维对温度的适应范围相当宽，它既能耐高温，又能耐低温。
在600℃高温时，其性能不变，而尼龙和玻璃纤维等非金属材料，随温度升高而强度下降；当-180℃时，由于低温冷脆,钢铁脆性很大，而碳纤维布仍有较好的柔韧。
碳纤维耐化学腐蚀性好，它不象金属那样容易生锈，在50 %的盐酸溶液中浸泡200 天，其直径和强度都不会变化。
碳纤维的高温导热性极低，是耐火粘土的1/ 10 。
第一节碳纤维的分类及其特性1.1 碳纤维分类碳纤维根据其原料可分为：聚丙烯腈（%&'）基碳纤维、石油沥青级碳纤维和人造丝碳纤维三类，由原料纤维高温烧成，成分基本都是碳元素。
这种以碳元素为主的碳纤维其主要性能如下表：碳纤维按照用途可分为两类：1、24K以下的为宇航级小丝束碳纤维（1K的含义为一条碳纤维丝束含1000根单丝）2、48K以上为工业级大丝束碳纤维。
目前军工级碳纤维（3-6K）的售价为200万元/吨，民用碳纤维（12K）的售价为55万元/吨，而碳纤维的生产成本为18万元/吨，如以民用碳纤维为例，其毛利为37万元/吨，即便加上3万吨的营业费用和33%的所得税率，民用碳纤维的净利润也用25万元/吨，如果考虑军品销价和33%的所得税减免，则其吨净利将达到170万元/吨。
碳纤维的分类
碳纤维的分类
碳纤维可以根据不同的分类方式进行分类，以下是几种常见的分类方式：
1. 基于织构结构：根据纤维的排列方式，分为两种类型：
- 纺织碳纤维：由织物编织而成，通常具有较高的柔韧性和拉伸强度。
- 铺蜂窝碳纤维：多为蜂窝状的结构，具有较高的刚性和压缩强度。
2. 基于纤维尺寸：根据纤维直径的不同，可分为：
- 高模碳纤维：直径较小，一般在5-7 μm之间，具有高强度和高模量。
- 中模碳纤维：直径在7-10 μm之间，具有较高的强度和适中的模量。
- 低模碳纤维：直径较大，一般在10-15 μm之间，具有较高的韧性和变形能力。
3. 基于纤维表面形态：根据纤维表面的形态和结构，可分为： - 平纹碳纤维：纤维表面平整，光滑，一般用于要求表面光洁度的应用。
- 毛刺碳纤维：表面有微小的毛刺，可以提供更好的粘附性能，适用于需要与其他材料结合的应用。
- 脱脂碳纤维：经过脱脂处理，表面光滑，去除了表面的毛刺，具有优异的表面质量。
4. 基于纤维制备方法：根据碳纤维的制备方法，可分为：
- 气相法制备的碳纤维（如气相吹纺、碳纳米管拉拔等）：具有较高的强度和模量。
- 糊状或煤焦油浸渍法制备的碳纤维：具有较高的韧性和可塑性。
这些分类方式可以根据不同的需求和应用选择适合的碳纤维。
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。
碳纤维比表面积
碳纤维比表面积一、引言碳纤维是一种轻质高强度的材料，因其优异的性能被广泛应用于航空、汽车、体育器材等领域。
其中，比表面积是评价碳纤维性能的重要指标之一。
二、碳纤维的概述1. 碳纤维的定义和分类碳纤维是由石墨化聚丙烯等有机高分子材料经过加热、拉伸等工艺制成的一种具有高强度、高模量和低密度的新型复合材料。
根据不同制备工艺和原料，碳纤维可分为聚丙烯基碳纤维、聚酰亚胺基碳纤维、芳香族聚酰亚胺基碳纤维等多种类型。
2. 碳纤维的性能特点（1）高强度：碳纤维的拉伸强度可达到2000MPa以上，比钢铁还要高出5倍以上。
（2）高模量：碳纤维的弹性模量可达到230GPa以上，比钢铁还要高出10倍以上。
（3）低密度：碳纤维的密度只有1.6-2.0g/cm³，是钢铁的1/4-1/5。
（4）优异的耐腐蚀性：碳纤维不易被化学腐蚀，可在高温、高压等恶劣环境下长期使用。
（5）良好的导电性和导热性：碳纤维具有良好的导电和导热性能，可用于制造电子元器件和散热器等产品。
三、比表面积的定义和计算方法比表面积是指单位质量材料表面积的大小，通常用m²/g表示。
在碳纤维中，比表面积是指单位质量碳纤维表面积的大小，可以通过以下公式计算：比表面积 = 表面积 / 质量其中，表面积是指碳纤维外部和内部孔隙的总表面积。
四、影响碳纤维比表面积的因素1. 原料品质：原料中杂质含量越少、分子结构越规则，则制成的碳纤维比表面积越大。
2. 制备工艺：不同制备工艺对碳纤维比表面积有一定影响。
例如，在高温石墨化过程中，石墨化程度越高，则碳纤维比表面积越大。
3. 碳纤维结构：碳纤维的结构特征也会影响其比表面积。
例如，碳纤维的孔隙大小和分布、表面形态等都会影响其比表面积。
五、应用领域1. 航空航天领域：碳纤维被广泛应用于飞机、导弹、卫星等领域。
其轻量化和高强度特点可以大幅降低飞行器的重量，提高载荷能力和燃油效率。
2. 汽车工业：碳纤维被广泛应用于汽车轻量化领域。
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Ｃ、芳纶纤维的化学性能
芳纶纤维具有良好的耐介质性能，对中性化学 药品的抵抗力一般是很强的，但易受各种酸碱的侵 蚀，尤其是强酸的侵蚀。
芳纶的湿强度几乎与干强度相等。对饱和水蒸 气的稳定性，比其它有机纤维好。芳纶对紫外线是 比较敏感的。若长期裸露在阳光下，其强度损失很 大，因此应加能阻挡紫外光的保护层。
芳纶纤维是苯二甲酰与苯二胺的聚合体，经溶 解转为液晶纺丝而成。
(1) 分子链由苯环和酰胺基按一定规律排列而成，具有良好 的规整性。致使芳纶纤维具有高度的结晶性。
(2) 键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度 定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结。
沿纤维方向的强共价键和横向弱的氢键，造成芳纶纤维 力学性能各向异性，即纤维的纵向强度高，而横向强度低。
高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度
纤维的苯环结构，使它的分子链难于旋转。 高聚物分子不能折叠，又呈伸展状态．形成棒 状结构，从而使纤维具有很高的模量。
聚合物的线性结构使分子间排列得十分 紧密，在单位体积内可容纳很多聚合物分子。 这种高的密实性使纤维具有较高的强度。
苯环结构由于环内电子的共轭作用，使 纤维具有化学稳定性，不发生高温分解。又 由于苯环结构的刚性，使高聚物具有晶体的 本质，使纤维具有高温尺寸的稳定性。
10 芳纶纤维
10.1 概述 10.2 芳纶纤维的结构与特性 10.3 芳纶纤维的制造 10.4 凯芙拉纤维的制品 10.5 芳纶纤维及其复合材料的应用
芳纶纤维：
10.1 概述
芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商 品牌号为凯芙拉 (Kevlar) 纤维 (美国杜邦 公司1968年开始研究，1973年研制成功)， 我国命名为芳纶纤维。
1. 表面清洁法 2. 气相氧化法 3. 液相氧化法 4. 表面涂层法
液相氧化法与气相氧化法比较：
液相氧化的效果比气相氧化法好，条件适当时，复合材 料的剪切强度可增加1倍以上，而纤维的强度仅略有下降。
原因：液相时只氧化纤维表面，而气相氧化剂可能渗 透较深，尤其在表面有微裂和缺陷处。
但液相氧化多为间歇操作，处理时间长，操作繁 杂，难以和碳纤维生产线直接相连接。
7 8.3~8.5 38~40
38
延伸率(%)
22 1.43~1.44
3.6 2.4 2~3.2 1.8~2.2 16~25 16~28 7~17 20~80 0.5 1.3 1.2 2.5~4
0.5~0.8 0.4
各类增强纤维比强度比模量
芳纶纤维的强度和模量高，密度低，因而此种增强纤 维有很高的比强度和比模量。
由于芳纶不熔融也不助燃，短时间内暴露在300℃以上， 对于强度几乎没有影响。在-170℃的低温下也不会变脆，仍 能保持其性能。
芳纶细纱和粗纱的热性能
性能 在空气中高温下长期 使用温度(℃) 分解温度(℃) 拉伸强度(MPa)
在室温下16个月 在50℃空气中2个月
在100 ℃空气中 在200 ℃空气中 拉伸模量(GPa) 在室温下16个月 在50℃空气中2个月
(1) 压缩性差，压缩强度仅有不到拉伸强 度的1/5。 (2) 紫外线照射时强度大幅下降。
10.2 芳纶纤维的结构与特性
10.2.1 芳纶纤维的结构
(1) 聚对苯甲酰胺 (聚对胺基苯甲酰) 纤维Poly (P-benzamide) 简称PBA纤维。
NH
NH2
CO n
O C CH3
(2)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 Poly (P-Phenlene terephthalamide) 简称PPTA纤维
丙酮
100
乙醇
100
三氯乙烯 100
甲乙酮 100
变压油 100
煤油
100
自来水 100
海水
100
过热水 100
饱和蒸汽 100
氟利昂22 100
21
1000
21
1000
21
24
21
24
60
500
60
500
100
100
一年
138
40
150
48
60
500
强度损失(%)
Kevlar-29 Kevlar-49
10.2.2 芳纶纤维的基本性能
A 、芳纶纤维的力学性能； Ｂ、芳纶纤维的热稳定性； Ｃ、芳纶纤维的化学性能。
A 、芳纶纤维的力学性能
芳纶纤维的特点是拉伸强度高，初始模量很高，而 延伸率较低。 单丝强度可达3773 MPa；254mm长的纤 维束的拉伸强度为2744 MPa，大约为铝的5倍。
芳纶纤维的拉伸强度约为E玻璃纤维的1.5倍，与碳纤 维相当或略高。拉伸模量仅次于碳纤维和硼纤维。
3
1
1
0
1.5
0
4.6
0
9.9
0
0
2
1.5
1.5
9.3
28
0
3.6
10.3 芳纶纤维的制造
1. 聚对苯撑对苯二甲酰胺的聚合
两个阶段
第一阶段
对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩 聚成对苯撑对苯二甲酰胺的聚合体。
第二阶段
聚合体溶解在溶剂中再进行 纺丝，制得所需要的纤维材料。
简单流程图
低温溶液缩聚法， 不能用熔融缩聚法
0.66 3.22 2.82 3.82 2.6~3.3 2.8~3.4 0.66~0.97 0.61~0.97 0.78~1.12 0.24~0.66 2.1 3.2 2.8 1.0~3.0 3.0~3.4 3.5 1.4~1.8
17.4 64.8 63.2 126.6 9~12 15~16 0.28~0.51 0.22~0.60 1.12~1.99 0.15~0.33 40 25 23
原因：聚对苯撑对苯二甲酰胺 是刚性链分子，分子链段的自 由旋转受到阻碍，玻璃化温度 与熔点温度较高。
常选用溶剂：六甲基磷酰胺、N-甲 基吡咯烷酮及二甲基乙酰胺等。
为防止对苯二甲酰的水解，反应 体系及溶剂中的含水量要严格控制。
低温溶液缩聚法可得到特性粘度大于5的聚合体， 但生产效率低。溶剂（HMPA)有毒，因此又发展了气 相缩聚方法。
水中的强度保留率高： 芳纶细纱在水中浸泡5min，而后在21℃水中
测定其拉伸性能，几乎没有影响。在88 ℃水中的 强度有所下降，强度保留率为21 ℃水中的85%。
收缩率和膨胀率小 具有良好的耐应力开裂性能，能在很长的时间内 保留很大的极限抗拉强度。
Ｂ、 芳纶纤维的热稳定性
芳纶纤维有良好的热稳定性，耐火而不熔，在180℃ 的温度下，仍能很好的保持其性能，当温度达487 ℃时 尚不熔化，但开始碳化。
强度和模量低，耐光性较差。
用途：主要用于易燃易爆环境的工作服，耐高温绝缘 材料，耐高温的蜂窝结构。
(2) 聚N, N-间苯双-(间苯甲酰胺)对苯二甲酰胺纤维
HN
HN CO
CO HN
CO n
H2N
O
NH2
O
C OH + H2N
+ HO C
主要用作抗燃纤维及耐高温绝缘材料
O C OH
为制得更高强度和模量的纤维，改进 纤维的耐疲劳性能，采用各种芳环和杂环 的二胺和二酰氯，与对苯二酰氯和对苯二 胺共聚。尚处于研制和试生产阶段。
将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰 纤维，然后再在惰性气氛中于高温下进行 焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他 非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状 物。此法用于制造连续长纤维。
以聚丙烯腈（PAN）为原料制造的碳纤维 PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段： 预氧化：200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行
ARAMID纤维包括三种牌号的产品，宇并航重、改造名船称。
PRD--49--IV改称为芳纶--29；
工业的复合 材料制件。
PRD--49--III改称为芳纶--49；
B纤维改称为芳纶。
主要用于橡胶增强，制造轮 胎、三角皮带、同步带等
（1）不熔融 （2）高温能保持高强度与高弹性模量 （3）耐热、不易燃烧 （4）尺寸稳定、几乎不发生蠕变 （5）耐药性好，在有机溶剂及油中性能不下降 （6）耐疲劳性，耐磨性好 （7）对放射性线的抵抗性大 （8）非导电、且诱电性能优越 （9）与无机纤维相比振动吸收性好、减衰速度快
初始拉伸模量 (GPa)Nomex源自KevlarKevlar-29
Kevlar-49 芳纶Ⅱ 芳纶Ⅰ 尼龙6 尼龙66 涤纶 丙纶
碳纤维M40 碳纤维T500 碳纤维T300 E玻璃纤维 高强2#玻璃纤维
硼纤维 氧化铝纤维
1.38 1.43~1.44
1.44 1.44 1.44 1.465 1.14 1.14 1.38 0.90 1.81 1.74 1.75 2.54 2.54 3.9
CO
CO NH
NH
n
O
O
Cl C
C Cl + NH2
NH2
(1) 聚间苯二甲酰间苯二胺纤维
CO CO NH
NH n
O
Cl C
O
NH2
C Cl + NH2
高温性能好，高温下的强度保 持率好，以及尺寸稳定性、抗氧化 性和耐水性好，不易燃烧，具有自 熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐 化学试剂，绝热性能也较好。
8 碳纤维
1. 碳纤维概念 2. 碳纤维的制作方法 3. 以聚丙烯腈 (PAN) 为原料制造的碳纤维 4. 碳纤维的表面处理
由有机纤维或低分子烃气体原料在惰 性气氛中经高温(1500ºC)碳化而成的纤维 状碳化合物，其碳含量在90%以上。
制造的方法：
在惰性气氛中将小分子有机物(如 烃或芳烃等）在高温下沉积成纤维。 此法用于制造晶须或短纤维，不能用 于制造长纤维。
高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度