高分子材料之碳纤维
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K[(1) d]1
碳纤维的应力－应变 曲线是一条直线，纤维在 断裂前是弹性体，断裂是 瞬间开始和完成的。
碳纤维的力学性能除 取决于纤维的结构外，与 纤维的直径等有关。一般 作为结构材料用的碳纤维 直径为6μm～11μm。
几种纤维的应力-应变曲线比较图
2. 碳纤维的化学性能
与碳相似，除能被强氧化 剂氧化外，对一般的酸碱是 惰性的。空气中温度高于 400℃时，出现明显的氧化。 不接触空气或氧化气氛时， 碳纤维具有突出的耐热性。
发展，台塑产量增加很快，但碳纤维质量的提高幅度并不大。
2、国产发展
我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究 高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入21 世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨／年 原丝、200吨／年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平)，使 我国碳纤维工业进入了产业化。随后，一些厂家相继加入碳纤维 生产行列。据不完全统计，目前，我国已有12家生产规模大小不 一(5～800吨／年)的PAN基碳纤维生产厂家，合计生产能力为13 10吨／年，产品规格为1K、3K、6K、12K。但由于一些企业没 有原丝可烧，实际国内碳纤维的总产量不足40吨/年，而且产品质 量不太稳定，大多数达不到T300水平。可喜的是从2000年开始我 国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术， 采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前 利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到 国际同类产品水平。碳纤维生产线随着近年来我国对碳纤维的需 求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品， 成为国内新材料行业研发的热点。据不完全统计，目前拟建和在
宝马推出的首款碳纤维车身量产车
意大利法拉利跑车品牌，日前 与专业的William Optics光学 仪器制造商合作，推出的法拉
利品牌望远镜
碳 纤 维 多 轴 向 织 物
全碳纤维打造的杜卡迪摩托车
碳 纤 维 电 热 管
记忆碳纤维羽毛球拍
Memory- Graphite (记忆性碳纤维)是通过 对碳纤维成型树脂配方的优化改良，增强 碳纤维成型后的“韧度”性能，以使其在受 到外部冲击时能迅速缓冲压力并迅速还原 其形。据说，实验证明，记忆性碳纤维能 有效提高球拍25％的韧度（更耐用、更高 反弹）。
碳纤维还有良好的耐低 温性能，如在液氮温度下也 不脆化。还有耐油、抗放射、 抗辐射、吸收有毒气体和减 速中子等特性。
一些纤维或晶须、合金的温度与 强度的关系
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、 纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用 作绝热保温材料外，一般不单独使用， 多作为增强材料加入到树脂、金属、陶 瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。 碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构 材料、电磁屏蔽除电材料人工韧带等身 体代用材料以及用于制造火箭外壳、机 动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴 等。
PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段：
一、预氧化
在 200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进 行。
二、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。
— —Carbon Fibre
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、石墨化而成的纤维状碳
化合物，其碳含量在90%以上。
碳纤维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。碳纤维是一种力学性能优异的新材料， 它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在 3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于 钢。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。碳纤维的这些特点已预示了碳纤维在工程的广阔 应用前景 。
三向织物和多向织物
长 纤 维
碳纤维生产线
碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、 沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳 化制得；按状态分为长丝、短纤维 和短切纤维；按力学性能分为通用 型和高性能型 。通用型碳纤维强 度为1000兆帕、模量为100GPa左 右。高性能型碳纤维又分为高强型 （强度2000MPa、模量250GPa） 和高模型（模量300GPa以上）。 强度大于4000MPa的又称为超高强 型；模量大于450GPa的称为超高 模型。随着航天和航空工业的发展， 还出现了高强高伸型碳纤维，其延 伸率大于2％。用量最大的是聚丙 烯腈PAN基碳纤维。
★进行预氧化处理的原因：
PAN的Tg低于100℃，分解前会软化熔融，不能直接 在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处理，使 PAN的结构转化为稳定的梯形六元环结构，就不易熔融。 另外，当加热足够长的时间，将产生纤维吸氧作用，形成 PAN纤维分子间的化学键合。
三、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。
石墨微晶
碳 纤 维 单 丝
1. 碳纤维的力学性能
研究表明，影响碳纤维弹性模量的直接因素是晶粒的取 向度，而热处理条件的张力是影响这种取向的主要因素。
碳纤维的强度(σ)、弹性模量(E)与材料的固有弹性模量 (E0)、纤维的轴向取向度(α)、结晶厚度(d)、碳化处理的反应 速度常数(K)之间的关系：
E E0(1)1
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。
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。
目前来说，用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维，它是由 PNA原丝经一系列过程制备而成。
建的碳纤维生产企业有11家，合计生产能力为原丝7100吨／年、 碳纤维1560吨／年，其中在建企业为4家，合计生产能力为原丝 1100吨／年、碳纤维470吨／年。
我国碳纤维复合材料的研制开始于20世纪70年代中期，经过 近40年的发展，已取得了长足进展，在航天主导产品(弹、箭、 星、船)上得到了广泛应用。近年来，我国体育休闲用品及压力容 器等领域对碳纤维的需求迅速增长，航空航天技术的快速发展急 需高性能碳纤维及其复合材料等，市场需求更加旺盛。
低性能碳纤维
耐火纤维，碳质纤维，石墨纤维等
受力结构用碳纤维 耐焰碳纤维 活性碳纤维（吸附活性） 导电用碳纤维 润滑用碳纤维 耐磨用碳纤维
纤维外观
短纤维 短切碳纤维和碳毡
长纤维 碳纤维长度可达几千米
二（双）向织物
短纤维
布的叠层结构 将碳布折叠成一定的长、宽、高
的形状
扭绳或编织绳 将数束单丝纤维合并成小股， 以数股或数十股进行扭编或编织，可制成粗 细不等的圆形或方形绳。
为了满足国内市场对碳纤维不断增长的需求，应尽快实现我 国碳纤维工业的国产化和规模化。为此，必须加快技术创新，掌 握核心技术；加速原丝技术开发，研制高纯度原丝；强化应用研 究和市场开发，进一步扩大应用领域。碳纤维在我国大有发展前 途，但应总结涤纶等化纤发展的经验教训，避免盲目发展，实现 健康发展。
碳 纤 维 布
“碳纤维”表面 多彩最新无线鼠标
碳 纤 维 电 暖 器 碳纤维絮片
碳纤维胶
1、产业现状
目前世界碳纤维产量达到4万吨／年以上，全世界主要是日本 东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL、 ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德国SGL西格里集团，韩国 泰光产业，我国台湾省的台塑集团，等少数单位掌握了碳纤维生 产的核心技术，并且有规模化大生产。目前在祖国大陆还没有一 个年产100t的规模化碳纤维工厂，大多还处于中试放大阶段。值 得一提的是我国台湾省的台塑集团，在80代年中期从美国Hitco 公司引进百吨级碳纤维生产线，经消化、吸收和配套后得到迅速
碳纤维可根据原丝的类型、碳纤维的性能、用途以 及纤维外观进行分类。
原丝类型
聚丙烯腈基碳纤维 粘胶基碳纤维
Hale Waihona Puke Baidu
聚丙烯腈基碳纤维
沥青基碳纤维
木质素纤维基碳纤维
沥青基碳纤维布
其它有机纤维类（各种天然纤维， 再生纤维缩合多环芳香族等）
性能分类 功能分类
高性能碳纤维
高强度(HS)，超高强度(VHS)， 高模量(HM)，中模量（MM)
PAN
弹理
性温
模 量 的 关 系
度 与 强 度 和
纤 维 热 处
理想的石墨点阵结 构属六方晶系，真实 的碳纤维结构属于乱 层石墨结构。
石墨的六方晶体结构
碳 纤 维 最 基 本 的 结 构 单 元
石墨层片的缺陷及边缘碳原子
原纤维
碳 纤 维 的 三 级 结 构 单 元
碳 纤 维 的 二 级 结 构 单 元
碳纤维的应力－应变 曲线是一条直线，纤维在 断裂前是弹性体，断裂是 瞬间开始和完成的。
碳纤维的力学性能除 取决于纤维的结构外，与 纤维的直径等有关。一般 作为结构材料用的碳纤维 直径为6μm～11μm。
几种纤维的应力-应变曲线比较图
2. 碳纤维的化学性能
与碳相似，除能被强氧化 剂氧化外，对一般的酸碱是 惰性的。空气中温度高于 400℃时，出现明显的氧化。 不接触空气或氧化气氛时， 碳纤维具有突出的耐热性。
发展，台塑产量增加很快，但碳纤维质量的提高幅度并不大。
2、国产发展
我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究 高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入21 世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨／年 原丝、200吨／年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平)，使 我国碳纤维工业进入了产业化。随后，一些厂家相继加入碳纤维 生产行列。据不完全统计，目前，我国已有12家生产规模大小不 一(5～800吨／年)的PAN基碳纤维生产厂家，合计生产能力为13 10吨／年，产品规格为1K、3K、6K、12K。但由于一些企业没 有原丝可烧，实际国内碳纤维的总产量不足40吨/年，而且产品质 量不太稳定，大多数达不到T300水平。可喜的是从2000年开始我 国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术， 采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前 利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到 国际同类产品水平。碳纤维生产线随着近年来我国对碳纤维的需 求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品， 成为国内新材料行业研发的热点。据不完全统计，目前拟建和在
宝马推出的首款碳纤维车身量产车
意大利法拉利跑车品牌，日前 与专业的William Optics光学 仪器制造商合作，推出的法拉
利品牌望远镜
碳 纤 维 多 轴 向 织 物
全碳纤维打造的杜卡迪摩托车
碳 纤 维 电 热 管
记忆碳纤维羽毛球拍
Memory- Graphite (记忆性碳纤维)是通过 对碳纤维成型树脂配方的优化改良，增强 碳纤维成型后的“韧度”性能，以使其在受 到外部冲击时能迅速缓冲压力并迅速还原 其形。据说，实验证明，记忆性碳纤维能 有效提高球拍25％的韧度（更耐用、更高 反弹）。
碳纤维还有良好的耐低 温性能，如在液氮温度下也 不脆化。还有耐油、抗放射、 抗辐射、吸收有毒气体和减 速中子等特性。
一些纤维或晶须、合金的温度与 强度的关系
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、 纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用 作绝热保温材料外，一般不单独使用， 多作为增强材料加入到树脂、金属、陶 瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。 碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构 材料、电磁屏蔽除电材料人工韧带等身 体代用材料以及用于制造火箭外壳、机 动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴 等。
PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段：
一、预氧化
在 200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进 行。
二、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。
— —Carbon Fibre
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、石墨化而成的纤维状碳
化合物，其碳含量在90%以上。
碳纤维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。碳纤维是一种力学性能优异的新材料， 它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在 3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于 钢。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。碳纤维的这些特点已预示了碳纤维在工程的广阔 应用前景 。
三向织物和多向织物
长 纤 维
碳纤维生产线
碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、 沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳 化制得；按状态分为长丝、短纤维 和短切纤维；按力学性能分为通用 型和高性能型 。通用型碳纤维强 度为1000兆帕、模量为100GPa左 右。高性能型碳纤维又分为高强型 （强度2000MPa、模量250GPa） 和高模型（模量300GPa以上）。 强度大于4000MPa的又称为超高强 型；模量大于450GPa的称为超高 模型。随着航天和航空工业的发展， 还出现了高强高伸型碳纤维，其延 伸率大于2％。用量最大的是聚丙 烯腈PAN基碳纤维。
★进行预氧化处理的原因：
PAN的Tg低于100℃，分解前会软化熔融，不能直接 在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处理，使 PAN的结构转化为稳定的梯形六元环结构，就不易熔融。 另外，当加热足够长的时间，将产生纤维吸氧作用，形成 PAN纤维分子间的化学键合。
三、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。
石墨微晶
碳 纤 维 单 丝
1. 碳纤维的力学性能
研究表明，影响碳纤维弹性模量的直接因素是晶粒的取 向度，而热处理条件的张力是影响这种取向的主要因素。
碳纤维的强度(σ)、弹性模量(E)与材料的固有弹性模量 (E0)、纤维的轴向取向度(α)、结晶厚度(d)、碳化处理的反应 速度常数(K)之间的关系：
E E0(1)1
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。
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。
目前来说，用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维，它是由 PNA原丝经一系列过程制备而成。
建的碳纤维生产企业有11家，合计生产能力为原丝7100吨／年、 碳纤维1560吨／年，其中在建企业为4家，合计生产能力为原丝 1100吨／年、碳纤维470吨／年。
我国碳纤维复合材料的研制开始于20世纪70年代中期，经过 近40年的发展，已取得了长足进展，在航天主导产品(弹、箭、 星、船)上得到了广泛应用。近年来，我国体育休闲用品及压力容 器等领域对碳纤维的需求迅速增长，航空航天技术的快速发展急 需高性能碳纤维及其复合材料等，市场需求更加旺盛。
低性能碳纤维
耐火纤维，碳质纤维，石墨纤维等
受力结构用碳纤维 耐焰碳纤维 活性碳纤维（吸附活性） 导电用碳纤维 润滑用碳纤维 耐磨用碳纤维
纤维外观
短纤维 短切碳纤维和碳毡
长纤维 碳纤维长度可达几千米
二（双）向织物
短纤维
布的叠层结构 将碳布折叠成一定的长、宽、高
的形状
扭绳或编织绳 将数束单丝纤维合并成小股， 以数股或数十股进行扭编或编织，可制成粗 细不等的圆形或方形绳。
为了满足国内市场对碳纤维不断增长的需求，应尽快实现我 国碳纤维工业的国产化和规模化。为此，必须加快技术创新，掌 握核心技术；加速原丝技术开发，研制高纯度原丝；强化应用研 究和市场开发，进一步扩大应用领域。碳纤维在我国大有发展前 途，但应总结涤纶等化纤发展的经验教训，避免盲目发展，实现 健康发展。
碳 纤 维 布
“碳纤维”表面 多彩最新无线鼠标
碳 纤 维 电 暖 器 碳纤维絮片
碳纤维胶
1、产业现状
目前世界碳纤维产量达到4万吨／年以上，全世界主要是日本 东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL、 ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德国SGL西格里集团，韩国 泰光产业，我国台湾省的台塑集团，等少数单位掌握了碳纤维生 产的核心技术，并且有规模化大生产。目前在祖国大陆还没有一 个年产100t的规模化碳纤维工厂，大多还处于中试放大阶段。值 得一提的是我国台湾省的台塑集团，在80代年中期从美国Hitco 公司引进百吨级碳纤维生产线，经消化、吸收和配套后得到迅速
碳纤维可根据原丝的类型、碳纤维的性能、用途以 及纤维外观进行分类。
原丝类型
聚丙烯腈基碳纤维 粘胶基碳纤维
Hale Waihona Puke Baidu
聚丙烯腈基碳纤维
沥青基碳纤维
木质素纤维基碳纤维
沥青基碳纤维布
其它有机纤维类（各种天然纤维， 再生纤维缩合多环芳香族等）
性能分类 功能分类
高性能碳纤维
高强度(HS)，超高强度(VHS)， 高模量(HM)，中模量（MM)
PAN
弹理
性温
模 量 的 关 系
度 与 强 度 和
纤 维 热 处
理想的石墨点阵结 构属六方晶系，真实 的碳纤维结构属于乱 层石墨结构。
石墨的六方晶体结构
碳 纤 维 最 基 本 的 结 构 单 元
石墨层片的缺陷及边缘碳原子
原纤维
碳 纤 维 的 三 级 结 构 单 元
碳 纤 维 的 二 级 结 构 单 元