碳纤维特性及其加工工艺、产品介绍

预氧化后的纤维呈黑色，遇
火也不燃烧，也称为预氧纤 维，可做防火织物、密封材 料等，现已成为一个独立的 工业产品。
碳化

将预氧化纤维在高纯氮(99.99％以上)气氛 下进行高温处理（1600℃ ），一方面将非 碳原子在炭化时以挥发物(如HCN，NH3， CO2，CO，H2O，N2等)方式除去，同时 使预氧纤维向炭纤维结构转变。
加工工艺

由PAN原丝制备碳纤维的工艺流程如 下： PAN纤维纺丝→预氧化→碳化→石墨 化→表面处理→卷取→碳纤维
PAN纤维的制备
纺丝方法: ①干法
②湿法
③浮悬法
④干喷湿纺
湿法纺丝的制备过程

PAN的聚合→脱单脱泡→计量→过滤→喷丝→ 逐级凝固牵伸→水洗→沸水牵伸→上油→致密 化→蒸汽牵伸→干燥热定型→卷绕等工序
碳纤维(CF)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。 碳纤维具有十分优异的性能， 比铝还要轻，比钢还要硬，比 重是铁的1／4，强度是铁的 10倍。
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



在400～600℃时，发生剧烈 热解反应，部分挥发物冷凝 后形成焦油，如它附着在炭 纤维表面会降低纤维的力学 性能，因此要很好地把焦油 在炭化过程中排出。 随热处理温度继续升高(6001000℃)，芳构的似石墨结构 按纵向及侧向继续长大(图3)。 炭化温度升至1400℃左右， 炭纤维的强度为最高，炭化 温度继续升高时，强度则下 降，模量则随温度升高而继 续增高。

缺点：耐冲击性较差，容易损伤， 在强酸作用下发生氧化，与金属复 合时会发生金属碳化、渗碳及电化 学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用 前须进行表面处理。
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；
分类：
状态
长 丝
长丝
短纤维
短切纤维
力 学 性 能
通用型：碳纤维强度为1000
Corcel N°1

碳纤维的材质让这款浴缸更为结实难用，并在表面 附着一层铂金，更显得在简约中透露着些许奢华。
碳纤维马桶
碳纤维头盔
强度高 重量轻 提高车速 降低油耗
碳纤维地暖

空气氧化法
应用
澳大利亚碳纤维浴缸

随着人们对生活品质的注重，在浴室中安放 一款舒适而不失奢华的卫浴洁具浴缸也逐渐 成为家居消费的趋势之一。日前，一家澳大 利亚的浴缸生产厂家推出了这款与众不同的 碳纤维浴缸，或许将成为人们的新选择。这 款浴缸使用纯碳材料制成，碳原料经过复杂 的过程被制成一根根直径为0.03至0.05毫米 的纤维，最后被编织成浴缸。整只浴缸高8 英尺，可以装大约90加仑的水，不仅结实耐 用而且极富艺术魅力。这款浴缸防电、防腐 而且不受气温变化影响，可以保存多年，供 几代人持续使用。
表面处理

表面处理聚丙烯腈基炭纤维的主 要用途是与树脂复合做结构材料 用，也加入金属或陶瓷、水泥等 基体中，构成碳纤维增强复合材 料。 炭纤维表面经氧化处理后，表面 积增大，提高炭纤维与树脂的结 合牢度和层间剪切强度。

㈠ ①气相氧化法 ②液相氧化法 臭氧氧化法 ③湿法阳极氧化法 ④等离子体氧化法 ⑤表面涂层改性法 ㈡复合表面处理法 在炭纤维表面涂一层指定的 浆料以便与基质(如树脂、炭 或金属等)更好地结合。
石墨化

石墨化是将炭纤维在氩气保 护下经2000℃以上的高温热 处理，使炭纤维微晶结构进 一步完善、长大，提高微晶 层面沿纤维轴的择优取向， 使炭纤维的杨氏模量进一步 提高。经高温处理的炭纤维 属高模型炭纤维。聚丙烯腈 基炭纤维属于难石墨化的聚 合物炭。通常所谓“石墨化” 一词只表示在2000℃以上的 高温热处理而已。
预氧化
热氧稳定化通称预氧化,其目的是使 热塑性PAN线性大分子链转化为非 塑性的耐热梯形结构，从而使纤维在 高温碳化下不熔不燃，继续保持纤维 状态。 预氧化处理可以提高炭纤维的收率和 力学性能，是制备炭纤维的一个重要 步骤。 梯形升温预氧化是当前工业化生产所 普遍采用的。


过程：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。这是聚丙烯腈 线性高分子受热氧化后，外层和核芯区 形成耐热梯形高分子的结果。
兆帕（MPa）、拉伸模量为100 GPa左右
高强型：强度2000MPa 模量250GPa 高模型：模量300GPa以上
高性能型
超高强型：强度大于4000MPa 超高模型：模量大于450GPa 高强高伸型碳纤维
聚丙烯腈碳纤维
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。 比重轻 密度小 超高强力与模 量 纤维细而柔软 耐磨 减振 热膨 胀系数小 导热率高 导 电性好 X射线透过性及电磁 波遮蔽性良好 具有润滑性
PAN基CF
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

PAN耐蚀性出类拔萃,在有机溶剂、 酸、碱中不溶不胀。耐酸、碱、盐 腐蚀可形成多孔，表面活性、吸附 性强 有学者在1981年将其浸泡在强碱 NaOH 溶液中，时间已过去20多年， 它至今仍保持纤维形态。 生物相容性好,对人体组织没有毒害 作用


缺点：PAN在空气中当温度
高于400°C时即发生明显 的变化，氧化产物CO₂ ， CO在纤维表面散失，所以 其在空气中的使用温度不能 太高，一般在360°C以下。 PAN的径向强度不如轴向强 度，因而CF忌径向强力，即 不能打结。