PAN基碳纤维
pan基碳纤维膨胀系数
pan基碳纤维膨胀系数1. 引言碳纤维是一种轻质高强度的材料，具有优异的力学性能和导电性能，在航空航天、汽车制造、体育器材等领域得到广泛应用。
其中，pan基碳纤维是最常见的一种碳纤维，其性能受到许多因素的影响。
本文将重点探讨pan基碳纤维的膨胀系数及其相关内容。
2. 碳纤维的构成与制备碳纤维主要由聚丙烯腈（PAN）等有机物为原料制备而成。
首先，将PAN原料进行拉伸和预氧化处理，形成预氧化纤维。
然后，在高温下进行炭化处理，将预氧化纤维转变为具有高度有序结构的碳纤维。
3. 膨胀系数的定义与测量方法膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion）描述了材料在温度变化时长度或体积变化的程度。
对于pan基碳纤维而言，其膨胀系数可分为线膨胀系数和体膨胀系数两种。
线膨胀系数表示单位长度的纤维在温度变化时的变化量，而体膨胀系数表示单位体积的纤维在温度变化时的变化量。
测量pan基碳纤维的膨胀系数可以采用多种方法，常见的有热膨胀法和光栅法。
热膨胀法通过在材料上施加热量，测量其长度或体积随温度变化的关系，从而得到膨胀系数。
光栅法则利用激光干涉原理，测量光栅镜片与样品之间的相对位移，进而计算出样品的膨胀系数。
4. 影响pan基碳纤维膨胀系数的因素pan基碳纤维的膨胀系数受多种因素影响，主要包括以下几个方面：4.1 纤维结构pan基碳纤维具有高度有序结构，其晶格结构和分子排列方式会对膨胀系数产生影响。
晶格结构越完整、分子排列越有序，纤维的膨胀系数通常较低。
4.2 纤维取向纤维的取向也会对膨胀系数产生影响。
当纤维取向均匀时，其膨胀系数较小；而当纤维存在偏离主方向的取向时，膨胀系数会增大。
4.3 温度变化范围pan基碳纤维的膨胀系数通常是随温度变化而变化的。
在不同温度范围内，其膨胀系数可能会呈现不同的趋势。
4.4 纤维表面处理对pan基碳纤维进行表面处理可以改善其界面性能和力学性能，同时也会对膨胀系数产生一定影响。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
班级：1013241 姓名：董鸿文
学号：101324108
材料化学课程论文
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维等 人造纤维戒合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等过 程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
1 2
3
沥青基
粘胶基
聚丙烯腈基（PAN）
PAN链的无规则螺旋结构
PAN纤维→预氧化→碳化→石墨化→PAN基碳纤维
PAN碳纤维原丝微观图
【1】PAN碳纤维原丝截面图
【2】PAN纤维截面SEM照
【3】PAN碳纤维表面结构
PAN碳纤维复合材料的应用
1.航空航天：航天飞机、运载 火箭、导弹卫星、民用商业飞 机
2.体育休闲：球杆球拍、箭弓、 鱼竿、自行车
参考文献
[1]徐樑华：高性能PNA基碳纤维国产化进展及发展趋势[J].中国材料进展， 2012，31（10）：7-13 [2]陈利，孙颖，马明：高性能纤维域成形体的研究[J].中国材料进展，2012， 31（10）:21-29 [3]韩克清，严斌，余木火：碳纤维及其复合材料高效低成本制备技术进展[J].中 国材料进展，2012，31（10）:30-35 [4]郭敏怡:我国高性能碳纤维产业发展现状不展望[M].军民两用技术不产品， 2012,2:53-58 [5]郑宁来:中国航天公司研制成功碳纤维新产品[J].合成纤维，2011,40 （7）:14-15 [6]贺福:研制高性能碳纤维已是当务之急[J].高科技纤维不应用，2010,35（1）： 14-18 [7]钱伯章:国内外碳纤维应用领域、市场需求以及碳纤维产能的进展[J].高科技 纤维不应用，2010,35（2）:29-33 [8]赵稼祥:世界PAN基碳纤维的生产不需求以及对发展我国碳纤维的启示[J].新 材料产业，2010,9:25-31
沥青基碳纤维和pan碳纤维
沥青基碳纤维和pan碳纤维1.引言1.1 概述在概述部分，我们将介绍沥青基碳纤维和PAN碳纤维的基本概念和背景信息。
沥青基碳纤维和PAN碳纤维都是目前广泛应用于不同领域的高性能纤维材料。
沥青基碳纤维是以改性沥青为基材，在高温条件下碳化得到的连续纤维。
它具有较高的热稳定性、力学性能和疲劳性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑材料等领域。
沥青基碳纤维的制备方法主要包括沥青改性、纺丝、碳化等工艺步骤。
PAN碳纤维是以聚丙烯腈（PAN）为主要原料制备得到的连续纤维。
它具有高强度、高模量和优异的特性，被广泛应用于航空航天、船舶、运动器材等领域。
PAN碳纤维的制备方法主要包括聚合纺丝、胶纺丝、气相重聚和高温碳化等工艺步骤。
本文将重点介绍沥青基碳纤维和PAN碳纤维的特性和制备方法，并探讨它们在不同领域的应用。
通过对比分析两种碳纤维的特点，我们可以更好地理解它们的适用范围和优势。
此外，我们也将展望沥青基碳纤维和PAN碳纤维在未来的发展方向，以期为相关领域的研究和应用提供参考和指导。
在接下来的章节中，我们将详细介绍沥青基碳纤维和PAN碳纤维的特性、制备方法和应用领域。
通过全面的研究和讨论，我们可以为碳纤维材料的发展和应用提供更深入的了解和见解。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以写成以下形式：1.2 文章结构本文将以两个主要部分来探讨沥青基碳纤维和PAN碳纤维。
首先，我们将详细介绍沥青基碳纤维，包括其特性和制备方法。
接着，我们将探讨沥青基碳纤维在不同领域的应用。
其次，我们将转向PAN碳纤维，同样介绍其特性和制备方法，并讨论其应用领域。
最后，我们将通过对沥青基碳纤维和PAN碳纤维进行比较，总结两者的差异和优势。
此外，我们还将展望未来发展方向，探讨这两种碳纤维在新兴领域中的应用前景。
通过本文的阅读，读者将可以深入了解沥青基碳纤维和PAN碳纤维的特性、制备方法及其在不同领域的应用，为碳纤维领域的研究和开发提供有价值的参考。
PAN碳纤维讲解
聚丙烯腈（PAN）碳纤维黄洛玮1103860621摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。
关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景1.概述碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成为最主要的品种。
2.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。
碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。
碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。
PAN选用的原因：1、PAN结构式:这是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体2、选用PAN原因：a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%;c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
针对PAN基碳纤维复合材料生产过程中存在的能耗高、污染重等问题 ，研究者们不断改进生产工艺，提高生产效率和环保性。
未来发展趋势预测与挑战分析
高性能化
未来PAN基碳纤维复合材料将继续向高性能化方向发展， 以满足高端应用领域对材料性能的更高要求。
绿色环保
随着环保意识的提高，PAN基碳纤维复合材料的绿色生产 将成为未来发展的重要趋势，包括采用环保原料、优化生 产工艺等。
耐疲劳性
碳纤维复合材料具有良好 的耐疲劳性能，能够承受 长期的交变载荷作用。
热稳定性及耐候性评估
热稳定性
PAN基碳纤维在高温下能 够保持较好的稳定性，不 易发生热分解或氧化反应 。
耐候性
碳纤维复合材料具有良好 的耐候性能，能够抵抗紫 外线、酸雨等自然环境的 侵蚀。
耐腐蚀性
由于碳纤维的化学稳定性 较高，因此它对于多种化 学物质都具有良好的耐腐 蚀性。
汽车工业领域应用
轻量化
碳纤维复合材料具有密度小、比 强度高、比模量高等优点，是实 现汽车轻量化的理想材料，可用
于车身、底盘等结构件。
安全性
碳纤维复合材料在碰撞时能够吸收 大量能量，提高汽车的安全性。
舒适性
碳纤维复合材料具有良好的阻尼性 能，能够降低汽车行驶过程中的振 动和噪音，提高乘坐舒适性。
体育器材领域应用
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料的制备工艺主要包括原丝 制备、预氧化、碳化、石墨化 等步骤，通过控制工艺参数可 以得到不同性能的复合材料。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料在航空航天、汽车、体育 器材、建筑等领域具有广泛的 应用前景，如飞机结构件、汽 车轻量化部件、高性能运动器 材等。
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CATALOGUE
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料及其在大飞机上的应用
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维复合材料及其在大飞机上的应用徐志鹏北京化工研究院摘要自2007年国务院公布国产大飞机战略以来，这一领域的发展获得了持续的关注。
然而当今的国际大飞机市场被波音和空客两大公司所垄断，国产大飞机想要赢得市场面临多方面的挑战，其中之一就是高性能复合材料的应用。
聚丙烯腈基碳纤维复合材料诞生五十多年以来，发展迅猛，已经从传统的航空航天领域逐渐向汽车、风电等领域拓展市场，未来市场潜力巨大。
而目前中国仅能生产相当于T300,T700性能的碳纤维，不仅无法满足国产大飞机的材料需求，而且该领域的技术短板也限制了很多行业的发展。
本文在综合了前人研究成果的基础上，介绍了碳纤维的发展历程，PAN基碳纤维的关键技术和碳纤维复合材料在商用大飞机上的应用情况。
笔者认为，有市场竞争力的国产大飞机必须大量使用高质量的碳纤维复合材料，而突破PAN基碳纤维复合材料技术壁垒的关键在于生产高质量的碳原丝，其技术突破点在于干喷湿纺和凝胶纺丝生产技术的掌握与改进。
关键字：PAN基碳纤维，大飞机，碳原丝，干喷湿纺, 凝胶纺丝ABSTRACTLarge Plane Project has been fascinating Chinese public for years since its first announcement by State Council in 2007. China-made large plane is now facing varieties of challenge, while Boeing and Airbus are on the monopoly of market, one of the main challenge is the application of carbon fiber composite material. PAN based carbon fiber composite has witnessed a boost since it’s born in the past 50years, and now is expanding its application from space project to automobile and wind power generation projects. Carbon fiber industry in China cannot satisfy the demand of large plane project and many other industrial demands, because we can only made carbon fiber as well as T300 and T700 by our self. This article introduced the history of carbon fiber, key technology of PAN based carbon fiber and how PAN based carbon fiber is used in commercial large aircrafts. The author of this article believes the China-made large plane must use plenty of carbon fiber based composite to win the market and the key technology we need to break through is dry-wet spinning and gel spinning technique to make high performance PAN-based carbon fiber precursor.Key words: PAN based carbon fiber, large plane, carbon fiber precursor前言国产大飞机战略自发布以来，引发了广泛的关注。
PAN碳纤维
东邦Tenax：对其PAN原丝和碳纤维生产工艺和技术进行了重大创新，使生产效率提高 10～100倍。
东丽：丙烯腈（AN）与依糠酸（IA）在DMSO溶剂中进行溶液聚合时，加入少量平均 相对分子质量（Mz）约为580万的PAN然后将该聚合液通入氨气制成纺丝原液制得直 径为2.1μm、强度为7.2 GPa、模量为470GPa、抗压缩强度为1.6 GPa的超级碳纤维。
，是钢的7~9倍
。抗拉伸模量在 23000~43000M pa亦远高于钢。
基碳纤维密度在
1.75~1.93g/cm3 之间。
国际形势
PAN的选用
聚丙烯腈（PAN）在1961年通过Shindoin首次被认定作为碳纤维合适 的前驱体。 PAN的结构
PAN的影响因素： a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向； b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%; c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏; d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化 处理。 丙烯腈（AN）可以聚合本体聚合，悬浮液聚合，溶液聚合，并在乳液 通过将自由自由基，离子或原子转移自由基聚合。
聚丙烯腈基（PAN）碳纤维复 合材料
班级：11031101材料化学 姓名：黄洛玮 学号：1103860621
PAN碳纤维介绍
PAN的选取原因 PAN碳纤维的制备
PAN碳纤维的前景及国际形势
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维等 人造纤维或合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等过 程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
美国Hexcel公司
中国的碳纤维发展速度有待提高，需要我们继续不懈的努力
参考文献：
CarbonFibers:PrecursorSystems,Processing,Structure,and Properties.---------------------ErikFrank,LisaM.Steudle,DenisIngildeev,JohannaM.Spç rl,and MichaelR.Buchmeiser*
PAN碳纤维
聚丙烯腈（PAN）碳纤维黄洛玮1103860621摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。
关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景1.概述碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成为最主要的品种。
2.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。
碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。
碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。
PAN选用的原因：1、PAN结构式:这是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体2、选用PAN原因：a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%;c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理。
PAN基碳纤维综述
PAN基碳纤维综述专业纺织工程学号 0843093070学生林华萍指导老师傅师申摘要:聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
本综述简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及前景。
关键词：PAN基碳纤维，制备，结构，性能，应用，前景1碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。
碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98-99%，杂质少。
碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。
2PAN基碳纤维的制备图1从原料丙烯晴到聚丙烯晴基碳纤维的制备过程中可以看出四个关键步骤：PAN的聚合，原丝的制备，原丝的预氧化以及预氧化丝的炭化和石墨化。
2.1 PAN的聚合由于PAN分子结构的特性，纯聚体PAN不适宜作为碳纤维前驱体。
工业生产中，往往采用共聚PAN来制备PAN原丝。
引入共聚单体可以起到如下作用：减少聚合物原液中凝胶的产生；增加聚合物的溶解性和可纺性；降低原丝环化温度及变宽放热峰。
但也可能带来一些副作用：降低原丝的结构规整性和结晶度；增加大分子链结构的不均匀性；引入更多的无机和有机杂质等。
2.2 原丝的制备PAN在熔点（317°C）以下就开始分解，因此形成纤维主要通过湿法或干湿法进行纺丝。
干湿法纺丝由于将挤出膨化与表皮凝固进行了隔离，纤维的成形机理有所改变，因此湿法纺丝凝固过程中皮层破裂或径向大孔及表皮褶皱等现象基本消失，干湿法纺丝的原丝表面及内部的缺陷减少、致密性提高。
干湿法纺丝还具有高倍的喷丝头拉伸（3-10mm的空气层是有效拉伸区），纺丝速度高（为湿法纺丝的5-10倍），容易得到高强度、高取向度的纤维等特点，从而保证了碳纤维有足够的强度，是当前碳纤维原丝生产的发展方向。
pan基碳纤维
pan基碳纤维PAN基碳纤维是一种无机纤维材料，它是一种高分子聚合物的纤维形式，其特性使其在许多领域有着各种应用。
这种纤维具有优异的机械强度、耐热性、耐化学性和热传导性，可以应用于建筑、航空航天、交通、地质勘查等行业。
PAN基碳纤维是由氨基甲酸酯（PA）和尼龙（N）经高温热固液相聚合而成的，PA是PAN基碳纤维中最重要的成分，其也是纤维强度和热稳定性的关键因素。
PA和N根据不同比例混合后，在一定温度和压力条件下，会发生聚合反应，形成PAN基碳纤维。
PAN基碳纤维的机械强度远高于其他有机纤维材料，耐温性也很好，有着良好的耐热性和良好的耐化学性，能够有效地抵抗高温的热辐射。
PAN基碳纤维在航空航天领域已经有着十分广泛的应用，它可以用于构建运载火箭、宇宙飞行器等一系列航天设备和结构元件，具有良好的热传导性、刚性和耐磨性，且具有较短的吸收光线时间和很好的抗飞碎性，在航天器的运输过程中能够提供有效的保护。
PAN基碳纤维同样在建筑领域有着广泛的应用，它可以用作建筑构件的强化材料，具有良好的耐久性，能够提升外墙和屋顶结构的抗风性和抗冲击性。
同时，它还可以用于建筑屋面保温隔热。
厚层PAN 基碳纤维材料可以有效减少外界热量渗入到室内，从而保持室内温度稳定，帮助节省能源，减少碳排放量。
PAN基碳纤维也可以在地质勘查和矿山安全领域得到应用，它能够有效帮助检测矿山变形，检测深部地层的水分含量，同时，可用于地质灾害以及岩石和地层的检测。
PAN基碳纤维的耐热性和耐磨性可以在高温、高压环境下进行检测，能够提供更准确的信息。
从上述内容可以看出，PAN基碳纤维有着优异的特性，可以用于航空航天、建筑、地质勘查等多个行业，为这些行业提供可靠的产品，构建安全稳定的结构，为人们提供更加安全、舒适的生活环境。
聚丙烯腈(pan)基碳纤维生产工艺
聚丙烯腈(pan)基碳纤维生产工艺聚丙烯腈（PAN）基碳纤维是制备高品质碳纤维的主要原料之一。
该纤维具有高强度、高模量、高导电性和优异的耐高温性能，被广泛应用于高端航空、航天、汽车和体育器械等领域。
本文将介绍PAN基碳纤维的生产工艺。
1. 原料准备根据生产工艺要求，选择合适的聚丙烯腈原料。
将原料进行初步处理，去除杂质和水分，以确保生产过程中的纤维质量。
2. 聚合反应将经过准备的聚丙烯腈原料溶解在适当的溶剂中，加入聚合催化剂和其他添加剂，进行聚合反应。
反应温度和时间、反应条件等要求均需严格控制，以确保聚合品质量和纤维性能。
3. 细纤化将聚合物溶液经过细纤化处理，使聚合物分子链排列有序，形成纤维形态。
细纤化方法有湿法和干法两种，其中湿法多使用纺丝机或旋转杯法，而干法则多采用气流旋转杯法。
4. 洗涤和脱水将细纤化后的纤维进行多次洗涤，以去除残留的溶剂和其他杂质。
洗涤后进行脱水处理，以去除水分，为后续的碳化步骤做好准备。
5. 碳化将经过脱水处理的PAN基纤维置于高温炉中进行碳化。
碳化温度和碳化速率对纤维质量和性能有着极大的影响，要根据产品要求进行合理的控制。
6. 热处理将碳化后的纤维再次进行高温热处理，使其内部结构进一步改善，提高其力学性能和稳定性。
7. 修边和检测对制备完成的碳纤维进行修边处理，去除开口、裂纹等缺陷。
然后进行质量检测，检查其力学、热学、导电等性能是否符合要求。
8. 包装通过卷绕或缠绕等方式对碳纤维进行包装，以便于运输和使用。
总之，PAN基碳纤维生产工艺控制精度要求高，涉及多个关键步骤，每一个环节都需要精益求精，以确保产品质量和性能稳定。
在实际生产过程中，还需要根据产品品种和规格进行细致的调整和改进，以满足不同用户的需求。
聚丙烯腈（PAN）原丝向碳纤维转变过程中的表面结构演变
聚丙烯腈（PAN）原丝向碳纤维转变过程中的表面结构演变按照原料来源，碳纤维可以分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维等，其中PAN 基碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能，且其应用领域非常广泛，因此PAN 基碳纤维在市场占据主导地位。
PAN基碳纤维是以PAN原丝为原料，经过预氧化、低温碳化、高温碳化制备得到，若在此基础上进一步高温石墨化处理，可以制备得到高强高模碳纤维（又称：石墨纤维）。
在预氧化阶段，具有线型分子结构的PAN原丝经过环化、脱氢、氧化等复杂化学反应，转变具有耐热梯形结构的预氧化纤维，这种具有耐热梯形结构的纤维在惰性气体保护的碳化环境下，可以不融不燃，保持纤维形态，经过低温碳化、高温碳化后形成具有乱层石墨结构的碳纤维。
经过几十年发展，PAN原丝向碳纤维内部结构尤其是微观化学结构演变机制已基本明确，但是有关转变过程中表面结构演变规律研究则鲜有报道。
中科院宁波材料所特种纤维事业部以自研6k规格PAN原丝为原料，经过180℃-300℃预氧化、300℃-800℃低温碳化、1000℃-1600℃的高温碳化制备得到碳纤维，详细研究了PAN原丝向碳纤维转变过程中表面结构演变规律，针对转变过程中各阶段纤维：PAN原丝（Precursors:PF）、预氧化纤维（Thermo-oxidized fibers：TF）、低温碳化纤维（Low-temperature carbonized fibers：LCF）、高温碳化纤维（Carbon fiber: CF）表面特征结构进行了对比研究。
一、纤维表面物理形貌研究阶段纤维表面的扫描电镜结果显示，在PAN原丝向碳纤维转变过程中纤维表面轴向沟槽特征结构得以保留，与原丝（PF）相比，由于预氧化阶段存在双扩散过程，即：空气中氧元素由表及里扩散以、环化脱氢后以水蒸气形式由内向外扩散，该扩散致使预氧化纤维（TF）表面沟槽结构愈加明显，经过低温、高温碳化后，由于高温环境下化学反应剧烈，低温碳化纤维（LCF）与高温碳化纤维（CF）表面沟槽变窄。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
SGL 台塑集团
Aksa
Aldila
世界PAN碳纤维主要生产企业
全球主要企业PAN碳纤维产能
设计产能（吨）
东丽集团
东邦特耐克丝公司
小丝束
1K/3K/6K/ 12K/24K
三菱人造丝公司 台塑集团 赫氏公司 氰特工程材料公司
土耳其Aksa公司
印度Kemrock公司
产能合计
产量系数0.7
2009 17600 13500 7400 6150 4750 2000
▪ 2010年，中复神鹰碳纤维公司通过碳纤维及关键设备研发项目的国家级鉴 定，标志着我国成功实现碳纤维国产化和产业化，建成国内首台套规模最大、 技术成熟的千吨级生产线。
国内碳纤维研究学术机构及个人
1、杨玉良，科技部“973”计划“高性能碳纤维相关重大问题的基础研究” 项目首席科学家，中国科学院院士，复旦大学校长 2、徐樑华，国家碳纤维工程技术研究中心主任，北京化工大学材料科学与 工程学院副院长 2、余木火，东华大学纤维材料改性国家重点实验室常务副主任，东华大学 研究院副院长
我国碳纤维产业发展情况
我国对碳纤维的研究起步较早，始于20世纪60年代，国家 863计划、973计划等均对碳纤维研制进行了支持，但进展较缓慢， 产品严重依赖进口。
2000年以来，在以师昌绪院士为首的一批材料界前辈的大力 推动下，我国碳纤维研发取得了长足的进步。在国内科研院所和以 中国航天四院为代表的一大批企业的参与下，完成了高强中模碳纤 维和基本型高模高强纤维制备技术的攻关，今后的研发重点将围绕 超高强中模和更高性能的高模高强碳纤维制备技术展开。
其他性能
耐高温（2000℃ 以上），低热膨 胀系数，比热容 小，出色的抗热 冲击性，优秀的 抗腐蚀和抗辐射 性能。
PAN基碳纤维的生产与应用
碳纤维的空间结构
1.皮芯结构 表层致密，结晶化程度高，空隙较少，而芯部相对疏松， 结晶化程度低，空隙更多 纺丝过程，PAN从聚合液的形态凝固过程，溶剂向凝固 浴 中扩散为从表到里，凝固层现在表面形成，阻碍内部扩 散。 预氧化过程由氧气的扩散程度决定，扩散过程由表及 里，表面更先形成更致密皮层，阻碍氧气进一步扩散到里 层。 2.晶区、无定型区、及气孔 低温碳化过程中纤维快速分解，短时间生 产大量的气体，这些气体必须由纤维的内部 逸出，气体的逸出通道形成通孔。 石墨化过程，杂原子进一步剥离，增加缺 陷数量
PAN基碳纤维的早期研发历程
年份
1959年
日本
大阪工业试验所对PAN基碳纤维进行研究并获得专利
1961年
东丽公司对PAN基碳纤维进行研究
1963年
1964年
1965年
1966年 1968年 1969年 1970年 1971年 1972年
东丽获三项专利 东邦、三菱对PAN原丝和碳纤维制备工艺研究 东丽获得PAN基碳纤维专利授权 东丽开始生产Torayca碳纤维 东丽碳纤维鱼竿开始出售，TenaxT碳纤维试验线开工
英国
RAE开始高弹性PAN基碳纤维的研发 Watt等确定了预氧化过程施加张力的 重要性 原子能研究所研究连续PAN基碳纤维 的量产 Courtaulds 等三家公司获得生产授权
美国
UCC开始出售首次被商业化的碳纤 维
Hercules获得生产许可
世界范围内碳纤维供需格局
进入21世纪后，随着全世界范围内“节能省力”、“减少温室气体排放”等环境意识的日益高涨，碳 纤维的应用领域不断扩展和扩大，需求量以每年15%的速率快速增长。2015年需求量大约6万吨。到 2020年预计能够扩大到15万吨。新增的大部分需求在一般工业领域
聚丙烯腈基(PAN)碳纤维复合材料
聚丙烯腈基（PAN）碳纤维复合材料2010136103徐铭华摘要:对PAN基碳纤维的发展历程、现状以及以其为增强体的复合材料进行了综述，并对PAN基碳纤维增强复合材料在航天领域的主要使用情况进行了介绍，最后对我国高性能碳纤维复合材料的现状及发展重点进行了探讨。
关键词:PAN基碳纤维;复合材料;航天领域;使用Abstract:In this article, the development of PAN-based carbon fiber, its character and composites reinforced by it is overviewed. The main application of carbon fiber reinforced composites on aerospace is also introduced here .Finally, the status and future development of PAN-based carbon fiber is discussed.Key words: PAN-based carbon fiber; composites; aerospace; application1.前言随着科技的发展和进步以及各国对空间光学遥感器的进一步需求，空间遥感器必然向高分辨率、长焦距、大口径、大视场、大体积而质量更轻的方向发展[1]，然而，发展质量更轻的空间光学遥感器，必须采用性能优异的轻质结构材料，碳纤维复合材料(CFRP)的使用是实现这一要求的最好途径之一。
CFRP是以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料[2]碳纤维具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加土性，是新一代军民两用的增强纤维。
它优异的综合性能是任何单一材料无法和其比拟的，现在己经成为先进复合材料的主要增强纤维之一。
CFRP是20世纪60年代中期崛起的一种新型结构材料，一经问世就显示了强大的生命力[3,4]。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产工艺
纺丝过程中的影响因素包括纺丝液性质、喷丝头结构、拉伸条件、固化条件等。这些因素会影响原丝 的形态结构、取向度、结晶度等，进而决定碳纤维的力学性能、热稳定性等。因此，在纺丝过程中需 要对这些因素进行严格控制和优化。
预氧化与碳化工艺
04
预氧化过程及机理探讨
预氧化过程
将聚丙烯腈(PAN)纤维在空气或氧气 中进行低温热处理，使其部分氧化， 形成稳定的梯形结构。
机理探讨
预氧化过程中，PAN纤维中的氰基(-CN) 逐渐转化为羧基(-COOH)和酰胺基(CONH2)，同时伴随着分子链的交联和 环化反应，从而形成耐热的梯形结构。
碳化过程及温度控制策略
碳化过程
在惰性气氛（如氮气）中，将预氧化 后的纤维进行高温处理，使其进一步 碳化，形成碳纤维。
温度控制策略
碳化过程中需要精确控制温度，通常 采用多段升温的方式，以确保纤维在 碳化过程中的结构稳定性和性能均匀 性。
设备选型与生产线布
05
局设计
关键设备选型依据及参数设置
聚合釜
选择高效、节能、操作简便的聚 合釜，其容量和搅拌速度等参数 需根据生产规模和产品性能要求
确定。
纺丝机
选用具有高速、稳定、连续化生产 能力的纺丝机，纺丝速度、温度、 压力等参数对纤维性能有重要影响， 需精确控制。
氧化碳化炉
选择能够实现高温、高压、气氛控 制精确的氧化碳化炉，炉内温度、 气氛组成和压力等参数是影响碳纤 维性能的关键因素。
原因分析与追溯
针对不合格品进行原因分析，追溯问题根源，为后续改进措施提供依 据。
纠正与预防措施
根据原因分析结果，制定相应的纠正和预防措施，防止类似问题再次 发生。
持续改进与提升
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产工艺
工艺特点 碳回收率高，成本低，性能好，最有发展前途。
用PAN纤 维制造碳纤 维有三个阶 段：氧化、 碳化、石墨 化。PAN原 丝在制造碳 纤维过程中 的结构变化 见左图。
沥青基碳纤维生产工艺简介：
1、 以聚氯乙烯、煤焦油、石油和沥青混合料为原料，将其纺丝后在250350氧化处理，产生交联结构。 2、炭化是在1350-2000度氮气中进行，纤维保持高度取向结构。 3、石墨化温度为2500-3000度，进一步增加取向程度，模量可达900GPa， 接近石墨单晶理论模量1060GPa。
粘胶基热解法生产碳纤维：
以为粘胶丝为原料，400度以下分解，1500度惰性气氛中炭化，石墨化温度高于 2800度。 碳回收率低，产量少，成本高。以被前两种方法代替，现已较少使用。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
pan基碳纤维生产的流程
pan基碳纤维生产的流程一、原料准备阶段在pan基碳纤维的生产过程中，最基本的原料就是聚丙烯腈（PAN）纤维。
首先，需要对PAN纤维进行预处理，包括去除杂质、切断成短纤维等。
然后，将处理后的PAN纤维进行浸渍，将其浸入预先配制好的聚合物溶液中，使其完全均匀地吸收聚合物。
二、纺丝成型阶段在纺丝成型阶段，将浸渍后的PAN纤维经过拉伸、干燥等工艺处理，使其形成连续的纤维束。
首先，通过纺丝机将浸渍后的PAN纤维拉伸成细丝。
然后，将细丝进行拉伸，使其达到预定的线性密度。
最后，通过热风干燥将纤维束中的水分蒸发掉，使其形成干燥的纤维束。
三、氧化阶段纤维束经过纺丝成型后，需要进行氧化处理。
氧化是将纤维束暴露在高温高氧气氛中，使其氧化成为氧化纤维束。
首先，在氧化炉中将纤维束进行预热处理，使其达到适宜的氧化温度。
然后，将预热后的纤维束送入氧化炉中，使其暴露在高温高氧气氛中进行氧化反应。
在氧化过程中，纤维束中的杂质和非氧化部分会被氧化掉，形成氧化纤维束。
四、炭化阶段氧化纤维束经过氧化处理后，需要进行炭化处理。
炭化是将氧化纤维束暴露在高温无氧气氛中，使其炭化成为炭纤维束。
首先，将氧化纤维束送入炭化炉中，升温至炭化温度。
然后，将炭化炉中的气氛改为无氧气氛，使纤维束暴露在无氧气氛中进行炭化反应。
在炭化过程中，纤维束中的非炭化部分会被炭化掉，形成炭纤维束。
五、热处理阶段炭纤维束经过炭化处理后，需要进行热处理。
热处理是将炭纤维束暴露在高温高压气氛中，使其晶化并增强强度。
首先，将炭纤维束送入高温高压炉中，升温至热处理温度。
然后，将炉中的气氛控制在高温高压状态下进行热处理。
在热处理过程中，纤维束中的结晶度和强度会得到提高，从而增强纤维的力学性能。
六、加工成品阶段经过热处理后，炭纤维束可以进行进一步的加工，制成各种形状的成品。
首先，将炭纤维束进行切割和分离，得到独立的碳纤维。
然后，根据需要，将碳纤维进行纺织、编织、压制等加工工艺，制成碳纤维纱线、碳纤维布、碳纤维板等成品产品。
PAN碳纤维讲解
聚丙烯腈（PAN）碳纤维黄洛玮1103860621摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。
关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景1.概述碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成为最主要的品种。
2.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。
碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。
碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。
PAN选用的原因：1、PAN结构式:这是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体2、选用PAN原因：a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%;c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理。
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聚丙烯腈及沥青基碳纤维的工艺流程
1.聚丙烯腈碳纤维：
聚丙烯腈碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维，主要作复合材料用增强体。
无论均聚或共聚的聚丙烯腈纤维都能制备出碳纤维。
为了制造出高性能碳纤维并提高生产率，工业上常采用共聚聚丙烯腈纤维为原料。
对原料的要求是：杂质、缺陷少；
细度均匀，并越细越好；强度高，毛丝少；纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好，通常大于80%；热转化性能好。
生产中制取聚丙烯腈纤维的过程如下：
1)原丝的制备：先由丙烯腈和其他少量第二、第三单体(丙烯酸甲
醋、甲叉丁二脂等)通过水相悬浮聚合、溶液聚合、乳液聚合或本体聚合共聚生成共聚聚丙烯腈树脂(分子量高于 6～8万)，然后树脂经溶剂(硫氰酸钠、二甲基亚砜、硝酸和氯化锌等)溶解，形成粘度适宜的纺丝液，经湿法、干法或干-湿法进行纺丝，再经水洗、牵伸、干燥和热定型即制成聚丙烯腈纤维。
直径12um 左右。
2)原丝的预氧化：若将聚丙烯腈纤维直接加热易熔化，不能保持
其原来的纤维状态。
因此，制备碳纤维时，首先要将聚丙烯腈纤维放在空气中或其他氧化性气氛中进行低温热处理，即预氧化处理。
预氧化处理是纤维碳化的预备阶段，过程中所发生的反应包括环化、脱氢及氧化，最后形成耐热梯型高分子。
一般将纤维在空气下加热至约270℃，保温0.5h～3h，聚丙烯腈纤
维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后形成黑色的预氧化纤维。
3)碳化：将预氧化纤维在氮气中进行高温处理(l600℃)，即碳化
处理，则纤维进一步产生交联环化、芳构化转化成稠环及缩聚等反应，并脱除氢、氮、氧原子，纤维中的含碳量从60%增加到95%,最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱层石墨结构的碳纤维,直径在6-7um。
4)石墨化：在氦气或氩气的保护下，碳纤维经过进一步高温处理，
得到石墨纤维。
石墨化纤维处理是将碳纤维放在2500-3000℃
的高温下，可得到含碳量在99%以上的更高模量的碳纤维。
5)表面处理：为方便碳纤维在复合材料中的应用，后期在碳纤维
表面增加活性基团等后处理。
2.沥青基碳纤维
通用型沥青基碳纤维一般只能做复合材料增强剂、吸附剂、文文体用品等，因此对沥青的预处理没有太高的要求。
而高性能沥青基碳纤维的生产原料为中间相沥青。
选择中间相沥青的生产方法主要根据原料的性质和组成确定。
热聚合工序是生产中间相碳纤维的关键工序，其工艺条件是研究重点。
由于通用型碳纤维的研究比较多，并且应用更广，所以下面就主要介绍一下通用型沥青基碳纤维制备过程。
(1)原料沥青的精制:沥青中，特别是煤焦油沥青中常含有游
离炭和固体杂质，它们在纺丝过程中可能堵塞纺丝孔，细小颗粒残留在纤维中则是碳纤维的断裂源。
为此，必须对沥青进行精制，以除去这些不溶物杂质。
通常采取的方法是在沥青中加入一定量的溶剂，并将沥青加热到100℃以上，用不锈钢网或耐热玻璃纤维等进行过滤；在热过滤过程中，还必须用一定的氮气进行保护，防止过滤时沥青的氧化。
(2) 沥青的调制:沥青调制的目的一是除去沥青中的轻组份，
防止在纺丝过程中产生气泡，造成丝的断裂；二是提高软化点，使分子量分布均匀。
调制是通过沥青的热缩聚、加氢预处理、溶剂萃取的方法制取可纺沥青。
调制的一般方法是空气吹扫法和热
缩聚法。
(3) 纺丝工艺:沥青的熔纺与一般的高分子不同，它们在极短的时间内固化后就不能再进行牵伸，得到的沥青纤维十分脆弱，因此，在纺丝时就要求能纺成直径在l5μm以下的低纤度纤维，以提高最终碳纤维的强度。
碳纤维的纺丝方法主要有挤压法、离心法、熔吹法、涡流法。
挤压法是用高压泵将熔化的高温液体沥青压入喷丝头，挤出成细丝；离心法是将熔化的高温沥青液体在高速旋转的离心转鼓内通过离心力作用被甩出立即凝固成纤维丝；熔吹法是将熔化的高温沥青液体送到喷丝头内，沥青液体从小孔压出后立即被高速流动的气体冷却和携带牵伸成纤维丝；涡流法是将高温液体沥青由热气流在其流出的切线方向吹出并被牵伸，所纺出的纤维具有不规则的卷曲。
温度依赖性使纤维成形时的纺丝温度变得非常重要。
纺丝温度的微小变化可导致纺丝压力波动很大。
因而，纺丝温度可控制纺丝操作的稳定性，甚至最终碳纤维的性能。
除此之外，挤出流速、收丝速度及这两者的比值(牵伸比)都会影响着碳纤维的机械性值。
现在纺丝的方法有熔喷法和熔纺法。
（4）沥青纤维的不熔化处理:沥青纤维必须通过炭化，充分除去其中非碳原子，最终发展碳元素所固有的特性；但由于沥青的可溶性和粘性，在刚开始加温时就会粘合在一起，而不能形成单丝的碳纤维，所以必须先进行碳纤维的预氧化处理。
另外预氧化还可以提高沥青纤维的力学性能，增加炭化前的抗拉强度。
沥青
纤维在氧化过程中发生了十分显著的化学变化和物理变化,其中最主要的变化是分子之间产生了交联，使纤维具有不溶解、不熔融的性能。
(5) 沥青基碳纤维的碳化和石墨化:不熔化后沥青纤维应送到惰性气氛中进行炭化或石墨化处理，以提高最终力学性能。
炭化是指在1200℃左右进行处理，而石墨化则是在接近3000℃的条件下进行。
炭化时，单分子间产生缩聚，同时伴随着脱氢、脱甲烷、脱水反应，由于非碳原子不断被脱除，炭化后的纤维中碳含量可达到92％以上，碳的固有特性得到发展，单丝的拉伸强度、模量增加。
随着碳纤维应用领域的拓宽，比如说将其组装成锂离子电池和超级电容器，使得对其性质的要求更高，于是进一步石墨化便变得不可缺少，进一步增加碳含量。
（6）沥青基碳纤维的后处理：为进一步提高沥青纤维与复合基体的亲合力和粘结力，还必须对沥青纤维进行表面处理，以消除表面杂质，并在纤维表面形成微孔，增加表面能。
但是这方面由于要根据具体的实际需要而定，因此方法的种类很多。
现在主要处理方法有空气氧化法、液相氧化法等。