碳纤维PPt

碳化过程带来的缺陷：
碳化过程中，大量非C元
构
消失。缺陷存在的地方碳纤维容易发生断裂，为提高碳纤
和
维的质量，减少碳纤维制备过程中产生的缺陷也是一个途 径。原丝要选择结构致密、纯净度高的、杂质和表面灰尘
素以气体形式逸出，使 纤维表面内部形成空穴 和缺陷。
性
少的。另外，应该选择含碳量高的有机纤维，这样在热裂
高性能碳纤维技术 的发展历程
碳纤维材料的 发展及用途
天
然
纤
维
基 碳人 纤造 维丝
基
碳 纤 维
聚 丙 烯
腈
基中
碳间
纤相
维沥
青
基
碳
纤
维
高性能碳纤维技术的发展历程
03 碳纤维的结构和性质
碳纤维的制备过程中，有机纤维经过高温热处理不断的分解，将非碳元素逸出，
同一平面上相邻的碳原子互相结合，形成石墨平面网层结构（如图所示）。
02 碳纤维材料的发展及应用
碳纤维材料的 发展及用途
早在18世纪中期，人们用有机纤维做为前躯体制备碳纤维，商业化的碳纤维被用作灯丝。这 些早期制造的碳纤维导电性能并不好，并且表面存在很多气孔，比较脆，容易被氧化，因此 用它做灯丝，电灯的效率非常低。后来，发明了钨丝，碳纤维就被取代，因此碳纤维的发展 也随之停滞不前。到了20世纪50年代，随着生产发展，航空航天和军事工业等尖端领域发展 迅速，对材料有了新的要求，结构材料不仅要求高强度和高模量，并且还要求具有质量轻、 耐高温等优异性能。因此碳纤维又重新受到重视，此后碳纤维得到了迅速发展。
维
行于纤维方向， 当纤维受到拉力时，拉力不再作用于
的 结
层与层之间，而是作用于许多互相平行的石墨平面网 层上，而这些平面网层都是由共价键结合的碳原子相 连而成，因此这种高强度高模量的碳纤维不容易变形
构
或断裂，这也就是制备高强、度高模量的优质碳纤维
和 性
在加热过程中对有机纤维施加张力的原因。 石墨平面网层与纤维轴向的夹角被称作取向角。取
普通碳纤维的结构具有与石墨结构相似的平面网层，这些石墨平面网层沿垂直于
碳 纤
纤维长度的方向(轴向)杂乱的堆积，称为石墨乱层结构;高强度高模量的碳纤维在结 构上与普通碳纤维存在差别，这类优质碳纤维结构内的石墨平面网层沿纤维长度方 向平行且整齐的排列。这种差别主要是有机纤维在加热过程中是否受到张力的作用
性
直径大约5至8微米，几乎全部由碳构成。
质
前面为直径6微米的碳纤维与后面人类头发的比较
碳纤维石墨平面网层结构
石墨平面网层之间是靠较微弱的范德华力结合，而
石墨平面网层内相邻的碳原子间的结合力要远大于层
碳 纤
间的范德华力。普通碳纤维由于石墨平面网层垂直于 纤维长度方向，受到的拉力作用在层与层之间，因此 容易变形或断裂;高强度、高模量的碳纤维内部网层平
碳纤维材料的 发展及用途
近些年主要以PAN作为原料生产高性能碳纤维，而且对高性能PAN基碳纤维的研制及工业化 生产已日趋成熟。这些高强度、高模量碳纤维比铝轻、比钢强，而且还具有耐高温、耐腐 蚀等优异性能，因此碳纤维成为现代工业的需要，正是由于这种迫切的需要，才推动了碳 纤维科学研究的迅速发展。碳纤维走出实验室后，立即应用于航空工业、宇宙工程、原子 能工程。碳纤维还在石油、化工、机电、造船等其他一些工业部门中得到广泛应用。不仅 如此，碳纤维也被用于建筑材料、交通运输、体育用品和医疗器械等领域。可以说碳纤维 的应用领域越来越广泛，不再集中于航空航天和原子能等尖端领域， 碳纤维在民用领域也 扮演着越来越重要的角色，例如医疗、土木建筑、汽车、电器、一般机械等领域，都在使 用碳纤维。随着人们对碳纤维的需求不断增加，加强技术创新是现实发展的需要。技术创 新要从原丝的制备开始，原丝的纯度和质量对碳纤维的结构和性能影响很大，因此提高原 丝质量是制备优质碳纤维的关键。扩大生产规模。降低生产成本则是促进碳纤维领域发展 的有效的途径。
平行于纤维轴向的方向，具有良好的导电性。
碳纤维的表面不是很光滑，内部结构也存在一些缺陷。
A
形成这种缺陷的原因主要有两方面:一个原因是原丝在制
原丝带来的缺陷：碳
造过程中表面和内部本身存在缺陷，如气孔和裂纹，这些
化过程中可能消失小部
碳
缺陷随着原丝的碳化保留在碳纤维中，造成碳纤维表面和 内部结构的缺陷；另一个原因是有机纤维在热处理过程中
质
解过程中其它元素分解逸出的气体就会减少，对碳纤维造 成的缺陷也随之减少。
碳纤维的表面由结晶区和非结晶区组成，随着碳化温度
C
的升高，碳纤维的结晶性越来越好，表面结晶区面积越来
碳纤维中缺陷的观察
越大。热裂解的温度低，碳纤维的表面比较粗糙，随着热 裂解的温度升高，碳纤维的表面就变得光滑，例如石墨化
研究手段：扫描电镜
碳纤维复合材料
姓 名：项太平 研究方向：中药质量控制 学科专业：材料科学与工程 年 级：2019级 导 师：路大勇教授
目录
1
碳纤维的概括
2
碳纤维材料的发展及用途
3
碳纤维的结构和性质
4
对我国碳纤维发展的建议
01 碳纤维的概括
碳纤维—概括
碳纤维是一种碳含量大于90%的高强度特种纤维。由于该材料具有高强、高模、耐高 温、耐疲劳、导电、导热等特性,因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体 育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外,碳纤维在电子通讯、石油开采、基础 设施等领域也有着广泛的应用,主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心 机材料、电池的电极等在生化防护、臭氧去除、食品等领域也有出色的表现。根据前 驱体材料的不同,碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和黏胶基碳纤维三种。这三 种材料特性不同,用途也各不相同其中,PAN基碳纤维市场用量最大,主要用作碳复材料 中的骨架构件;沥青基碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕 变、导电与导热等优良性能,是航空航天工业中不可缺少的工程材料;黏胶基碳纤维主 要用于耐烧蚀材料和隔热材料。
向角越小，石墨层平面与纤维的取向度就越高，一般
质
高模量的碳纤维取向角小于10°，而普通的碳纤维取
向角很大，一般达到40°以上 ( 如图所示)。同时，
在热处理过程中，随着碳化温度的升高，取向角减少 ，碳纤维的强度和弹性模量增强。另外，取向角越小
普通碳纤维石墨层结构 （箭头方向代表纤维轴向）
，碳纤维的导电性能就越好，也就是说石墨平面网层
分，但大部分将保留下 来，变成碳纤维的缺陷。
纤
不断分解，分解的产物以气体的形式从纤维逸出，这样就
维
பைடு நூலகம்
会造成碳纤维出现气孔，形成裂纹，这也是碳纤维表面的 缺陷多于内部的原因之一。如果热裂解过程中，升温速率
的
太快，有机纤维分解出的气体逸出的就快，那么在碳纤维
B
结
上留下的气孔和裂纹就大。随着热裂解温度的继续升高， 碳纤维的石墨化程度越来越好，一些小的气孔和裂纹逐渐
维
而造成的。在加热过程中，如果有机纤维没有受到张力的作用而自由收缩，那么就
的 结
会制得由石墨乱层结构堆积的普通碳纤维;如果有机纤维在加热过程中对其施加张力 ，那么在张力作用下，有机纤维内分子就会沿纤维长度方向整齐的排列。
构
●碳纤维由约5-10微米直径的纤维构成的材料
和
和主要由碳原子构成。 ●每一根碳纤维由数千条更小的碳纤维组成，
（SEM）和透射电镜 （TEM）
的碳纤维，其表面非常光滑，结晶区尺寸很大。碳纤维的
结晶程度与其石墨化的程度密切相关。
04 对我国碳纤维发展的建议
对我国碳纤维发展的建议
坚持自主创新是发展我国碳纤维的唯一出路； 遵循科学发展规律 ,坚持在应用中不断改进与提高我国的碳纤
维技术。 坚持研究、生产与应用密切配合,不断提高国产碳纤维性能。 加快科研成果转化,扶持建设研究/开发型碳纤维产业,从生产中
逐步积累产业化经验。 坚持原丝制备和CF生产一体化。
自强不息 与时俱进
谢谢聆听
欢迎各位提出宝贵意见
严谨
勤奋
求实
进取