材料化学关于碳纤维的合成讲解

四、碳纤维的表面处理
• 处理目的：提高碳纤维增强复合材料中碳
纤维与基体的结合强度。
• 途径：清除表面杂质；在纤维表面形成微
孔或刻蚀沟槽，从类石墨层面改性成炭状 结构以增加表面能；引进具有极性或反应 性官能团；形成能与树脂起作用的中间层。
处理方法：
• 1、表面清洁法 • 2、气相氧化法 • 3、液相氧化法 • 4、表面涂层法
土木建筑领域
• 土木建筑领域：碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路
公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强， 在铁路 建筑中，大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用， 这些也将是碳纤维很有前景的应用方面。具有密度小， 强度高， 耐久性好， 抗腐蚀能力强， 可耐酸、碱等化学 品腐蚀， 柔韧性佳， 应变能力强的特点。用碳纤维管制 作的桁梁构架屋顶， 比钢材轻50%左右， 使大型结构物 达到了实用化的水平， 而且施工效率和抗震性能得到了 大幅度提高。另外， 碳纤维做补强混凝土结构时， 不需 要增加螺栓和铆钉固定， 对原混凝土结构扰动较小， 施 工工艺简便
脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不同
的断面结构。
技术要点：
• 要想得到质量好碳纤维，需要注意一下技术要点： •
（1）实现原丝高纯化、高强化、致密化以及表面光洁 无暇是制备高性能碳纤维的首要任务。碳纤维系统工程需 从原丝的聚合单体开始。原丝质量既决定了碳纤维的性质， 又制约其生产成本。优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的 首要必备条件。
• 二、预氧化：200℃~300℃的氧化气氛中，
原丝受张力情况下进行预氧化处理的原因： PAN的的Tg低于100℃，分解前会软化熔融， 不能直接在惰性气体中进行炭化。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，就不易融化。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。
• （2）杂质缺陷最少化，这是提高碳纤维拉Fra Baidu bibliotek强度的根
本措施，也是科技工作者研究的热门课题。在某种意义上 说，提高强度的过程实质上就是减少、减小缺陷的过程。
（3）在预氧化过程中，保证均质化的前提下，尽 可能缩短预氧化时间。这是降低生产成本的方向 性课题。
（4）研究高温技术和高温设备以及相关的重要构 件。高温炭化温度一般在1300℃到1800℃，石 墨化一般在2500摄氏度到3000℃。在如此高的 温度下操作，既要连续运行、又要提高设备的使 用寿命，所以研究新一代高温技术和高温设备就 显得格外重要。如在惰性气体保护、无氧状态下 进行的微波、等离子和感应加热等技术。
碳纤维的应用：
• 碳纤维是发展国防军工与国民经济的重要战略物资， • 碳纤维单丝拉伸曲线属于技术密集型的关键材料，随着从短纤碳纤维
到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也 逐渐普及。在当今世界高速工业化的大背景下，碳纤维用途正趋向多 样化。中国已经有使用长纤作为高性能纤维的一种，在要求高温，物 理稳定性高的场合，碳纤维复合材料具备不可替代的优势。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，正是 由于兼具优异性能，碳纤维在国防和民用领域均有广泛的应用前景。
• 二、炭化：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。炭化收率 40%~50%，汗炭量95%左右。
• 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炭想石墨晶体取向， 使之与纤维轴方向的夹角进一步减小以提 高碳纤维的弹性模型。
碳纤维的制造方法：
• 气相法：在惰性气体中将小分子有机物（如芳香
烃或烃）在高温下沉淀成纤维。此法用于制造晶 须或短纤维，不能用于制造长纤维。
• 有机纤维炭化法：将有机纤维经过稳定化处理变
成耐火焰纤维，然后再在惰性气分中于高温下进 行焙烧炭化，使有机纤维失去部分炭和其他非碳 原子，形成以炭为主要成分的纤维状物。此法用 于制造制造连续长纤维。
• 碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用。从航天、
航空、 汽车、 电子、 机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休 闲用品等。碳纤维增强的复合材料可以应用于飞机制造等军工领域、 风力发电叶片等工业领域、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。球棒等体育领域。碳纤维是典型的高科技领域中的新型工业材
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，尤其在表面有微裂纹和缺陷处。
• 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连接。
• 六、上浆处理，防止纤维损伤，提高与树
以聚丙烯晴（PAN）为原料制造的 碳纤维
PAN原丝制备碳纤维的过程：
PAN原丝→预氧化→碳化→石墨化→表面处 理→卷取→碳纤维。
• 一、原丝制备，聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿
法纺丝制得，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制 得。制备高性能聚丙烯腈基碳纤维需采用高纯度、 高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝，制备原丝用 的共聚单体为衣康酸等。制备各向异性的高性能 沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中 间相（苯可溶各向异性沥青）和潜在中间相（喹 啉可溶各向异性沥青）等。作为烧蚀材料用的粘 胶基碳纤维，其原丝要求不含碱金属离子。
姓名：葛增如
材化121 1204020134
碳纤维的分类制造及表面处理
走进碳纤维
• 定义：由有机纤维或低分子烃气体原料在惰性气
氛中经高温（1500℃）炭化而成的纤维状化合物， 其碳含量在90%以上。
• 分类：碳纤维根据原料及生产方式的不同，主要
分为聚丙烯晴（PAN）基碳纤维及沥青基碳纤维。 碳纤维产品包括PAN基碳纤维（高强度型）及沥 青基碳纤维（高韧性型），是一种强度比钢大、 密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐 高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、 热学和力学性能的新型复合材料。