碳纤维及其在领域中应用
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➢ 碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。
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
7.3.1以粘胶纤维为原料制造CF
CH2OH
O OH O
CH2OH O
OH O
OH
OH
纤维素的分子结构式
分子式 (C6H10O5)n
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。
缺点：
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。
求加热速度较慢，而且不同的过程中，加热速度也不同。
7.3.2 以PAN为原丝制造CF
目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料来制造的。
1)基本工艺流程
➢ CF制造过程中最主要环节：
原丝制备； 原丝予氧化； 予氧化丝碳化或进一步石墨化
丙烯腈 共聚单体 引发剂
聚合
纺丝
PAN
湿纺
PAN 纤维
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Biblioteka Baidu丝提高50%以上。
为了保证碳纤维性能的优良，原丝应具备高纯度、高强度 和高取向度、细旦化等性能。
干湿纺
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
CF 系列产品
深加工
GrF 表面处理
2)原丝的制备 a.聚合
加入共聚单体的目的： ①使原丝予氧化时既能加速大分子的环化，又能缓和纤
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。
7.3 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。
维化学反应的激烈程度，使反应易于控制；
②并可大大提高予氧化及碳化的速度；
③有利于预氧化过程的牵伸。
共聚单体的种类：
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。在予氧化及碳化过程
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
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
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。
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
预氧化的目的：
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。
予氧化过程的重要现象：
纤维颜色变化（白→黄→棕褐色→黑色 ）
丙烯腈 共聚单体 引发剂
聚合
纺丝
PAN
湿纺
PAN 纤维
干湿纺
预氧化 空气介质 200-300oC 数十至数百分钟
第七章 碳纤维 （Carbon Fiber）
7.1 概述
CF是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。 或：纤维化学组成中碳元素占总质量90％以上的纤维。
Notes： 只有在碳化过程中不熔融，不剧烈分解的有机纤维才能作 为CF的原料。 有些纤维要经过予氧化处理后才能满足这个要求。
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
干法：
纺丝原液→喷丝头→纺丝甬道(热空气，溶剂在此受热蒸发) → 冷却、拉伸等
原丝纺丝过程中水洗时间与产品碳纤维性能之间关系
水洗时间（s）
3
6
10
12
27
残留溶剂（％） 4.46 2.93 0.24 0.10 0.01
高纯度：
原丝中所含各类杂质和缺陷将“遗传”给碳纤维。 可从以下几方面采取措施： 原料的精密过滤 充分洗涤 无尘纺丝
高强度和高取向度：
采用干湿法纺丝
细旦化：
原丝细旦化已成为提高原丝强度和生产高强度碳纤维 的主要技术途径之一。
3) 预氧化
在200~300℃下氧化气氛中（空气）受张力的情况下进 行。
优点：
瞬间耐烧蚀性能好，可用作火箭的内衬材料。
热处理过程：
① 25～150℃，脱去粘胶纤维的吸附水(脱去物理吸附的水)
② 150～240℃，纤维素环的脱水(脱去化学吸附的水)
③ 240～400℃，自由基反应，C—O键及C—C键断裂，放出 H2O、CO、CO2等气体
④ 400℃以上，进行芳香化，放出H2 在整个处理过程中，为使CF性能优良，产率高，所以要
原
强度
丝 （CN/dtex）
3.33
3.82
4.21
4.67
5.25
模量 （CN/dtex）
91.7
107
117
126
141
碳 强度（Gpa） 1.10 1.45 1.83 2.65 2.85
纤
维 模量（Gpa） 1.0
1.40 1.80 2.40 2.60
近年来发展起来的纺制高强度和高取向度原丝的
7.2 CF分类
CF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CF：拉伸强度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa
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
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
7.3.1以粘胶纤维为原料制造CF
CH2OH
O OH O
CH2OH O
OH O
OH
OH
纤维素的分子结构式
分子式 (C6H10O5)n
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。
缺点：
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。
求加热速度较慢，而且不同的过程中，加热速度也不同。
7.3.2 以PAN为原丝制造CF
目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料来制造的。
1)基本工艺流程
➢ CF制造过程中最主要环节：
原丝制备； 原丝予氧化； 予氧化丝碳化或进一步石墨化
丙烯腈 共聚单体 引发剂
聚合
纺丝
PAN
湿纺
PAN 纤维
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Biblioteka Baidu丝提高50%以上。
为了保证碳纤维性能的优良，原丝应具备高纯度、高强度 和高取向度、细旦化等性能。
干湿纺
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
CF 系列产品
深加工
GrF 表面处理
2)原丝的制备 a.聚合
加入共聚单体的目的： ①使原丝予氧化时既能加速大分子的环化，又能缓和纤
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。
7.3 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。
维化学反应的激烈程度，使反应易于控制；
②并可大大提高予氧化及碳化的速度；
③有利于预氧化过程的牵伸。
共聚单体的种类：
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。在予氧化及碳化过程
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
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
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。
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
预氧化的目的：
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。
予氧化过程的重要现象：
纤维颜色变化（白→黄→棕褐色→黑色 ）
丙烯腈 共聚单体 引发剂
聚合
纺丝
PAN
湿纺
PAN 纤维
干湿纺
预氧化 空气介质 200-300oC 数十至数百分钟
第七章 碳纤维 （Carbon Fiber）
7.1 概述
CF是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。 或：纤维化学组成中碳元素占总质量90％以上的纤维。
Notes： 只有在碳化过程中不熔融，不剧烈分解的有机纤维才能作 为CF的原料。 有些纤维要经过予氧化处理后才能满足这个要求。
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
干法：
纺丝原液→喷丝头→纺丝甬道(热空气，溶剂在此受热蒸发) → 冷却、拉伸等
原丝纺丝过程中水洗时间与产品碳纤维性能之间关系
水洗时间（s）
3
6
10
12
27
残留溶剂（％） 4.46 2.93 0.24 0.10 0.01
高纯度：
原丝中所含各类杂质和缺陷将“遗传”给碳纤维。 可从以下几方面采取措施： 原料的精密过滤 充分洗涤 无尘纺丝
高强度和高取向度：
采用干湿法纺丝
细旦化：
原丝细旦化已成为提高原丝强度和生产高强度碳纤维 的主要技术途径之一。
3) 预氧化
在200~300℃下氧化气氛中（空气）受张力的情况下进 行。
优点：
瞬间耐烧蚀性能好，可用作火箭的内衬材料。
热处理过程：
① 25～150℃，脱去粘胶纤维的吸附水(脱去物理吸附的水)
② 150～240℃，纤维素环的脱水(脱去化学吸附的水)
③ 240～400℃，自由基反应，C—O键及C—C键断裂，放出 H2O、CO、CO2等气体
④ 400℃以上，进行芳香化，放出H2 在整个处理过程中，为使CF性能优良，产率高，所以要
原
强度
丝 （CN/dtex）
3.33
3.82
4.21
4.67
5.25
模量 （CN/dtex）
91.7
107
117
126
141
碳 强度（Gpa） 1.10 1.45 1.83 2.65 2.85
纤
维 模量（Gpa） 1.0
1.40 1.80 2.40 2.60
近年来发展起来的纺制高强度和高取向度原丝的
7.2 CF分类
CF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CF：拉伸强度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa
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