产业用纺织品碳纤维
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(2)不生锈、耐腐蚀
• 除了浓度大于75%的硝酸和硫酸外，盐酸、硝酸、 硫酸和一些有机溶剂都无法腐蚀碳纤维。
• 其耐腐蚀性能远优于不锈钢。在一份硝酸（浓度 70%）和三份盐酸（浓度37%）配成的“王水” 中，碳纤维性能不变。
(3)比重轻——1.7~2.2
• 比一般塑料重一点。铝合金的1/2，不足钢铁的1/4。 • 比强度和比弹性模量特别高。用于需全面减轻自重
• 黏胶基碳纤维的产量不足世界碳纤维总产量的1%，它 虽然不会有大的发展,但也不会被彻底淘汰出局。
• 日本有三家大公司是世界著名的碳纤维生产企业 ： • 东丽公司 • 东邦人造丝公司 • 三菱人造丝公司
国内碳纤维发展
• 我国生产企业尚未掌握碳纤维产业化生产 技术。我国目前还没有一条产业化规模的 碳纤维生产线 ,小批量生产主要来自几家科 研单位,如山西煤化所、 上海合纤所、 北京 化工大学、 山东工业大学等。
• 制约我国碳纤维发展的 “瓶颈 ”是聚丙烯 腈原丝质量不过关。
碳纤维的分类
按力学性质： • 按功能分：
高强型 高模型 通用型等
按原料划分：
聚丙烯腈基 沥青基
•受力结构用碳纤
维
•活性碳纤维 •导电碳纤维 •耐燃碳纤维 •耐磨碳纤维等
酚醛树脂基
纤维素（以粘胶纤维为主）基
碳纤维的结构
碳纤维的缺点：
(1)比较脆、怕受压和剪切
• 碳纤维尤其害怕“打结”和“急拐弯”。
(2)抗氧化性差
• 碳纤维抗氧化性差，在高温下容易生成二氧化碳跑掉，所以它 不耐氧化。
(3)破坏前无预报
• 弹性模量高，受力后产生的变形很小，当它被拉断时，只产生0.5%的 伸长变形。
• 因此碳纤维在断裂之前，没有任何明显的征兆，人们不能在事故发生 之前采取预防措施。
模量高
抗张 性能
强度大
抗疲劳
耐化学 试剂
碳纤维 优异 性能
导电
耐热 导热
碳纤维的优良性能
(1)在纤维轴方向显示高抗拉强度和 高弹性模量
• 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23000~4300Baidu NhomakorabeaMpa亦高于钢。
• 是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高 的比模量的纤维。
• 受到温度变化时，碳纤维在它的长度方向上热缩冷胀，其膨胀 系数是负值。绝对值比钢小几十倍，比玻璃要小上百倍，实际 上近于零。
• 因此，碳纤维及其和某些塑料、金属做成的复合材料，可以用 来制造精密仪器、精密量具和精密机车的零件。而且即使在温 度变化较大的环境中使用，也还能保持其高度的精确性。
(7)常温下导热性能良好，高温下导热性能低
对原丝强度有一定影响。
2.1干喷湿纺法
• 即干湿法：
纺丝液经喷丝孔喷出,先经过空气层(亦叫干段), 再进入凝固浴进行双扩散、 相分离和形成丝条 的方法. • 特点：
• 与纯湿纺相比,干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮 芯结构的原丝,大幅提高了纤维的抗拉强度,可生产细 特化和均质化的高性能碳纤维.
2.2射频法
• 每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所 组成，直径大约5至8微米。
• 在原子层面的碳纤维跟石墨很相近，是由 一层层以六角型排列的碳原子所构成。
• 两者差别在于层与层之间的连结。 • 石墨是晶体结构，它的层间连结松散。 • 而碳纤维不是晶体结构，层间连结是不规
则的。这样便防止滑移增强物质强度。
碳纤维的优良性能
的物体，如宇航用品、交通用品、体育比赛用品。
(4)纤度细
• 几十根碳纤维合在一起约有人的头发粗细。细度可 为0.05Tex。
(5)既能耐低温，又能耐超高温
• 适用温度-180-4000ºC。碳纤维的升华温度高达3650ºC。
• 碳材料却是唯一的一种在高温下随着温度升高而强度增大的材 料。
(6)能耐温度急变，热膨胀系数小
– 放丝架→ 预氧炉Ⅰ→ 预氧炉Ⅱ →表面处理→ 收丝
– 反应具体表现为原丝的外观发生了变化：由白 → 黄 →棕褐色→ 黑色 ,并且放出一定量的 H2O、HCN和NH3 。
产业用纺织品碳纤维
• 到2005年前后，世界碳纤维的生产能力在3.4～3.8万 吨左右，主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国 等少数发达国家和我国台湾省。
• 世界 PAN基碳纤维进入发展旺盛的成熟期 ,产量约占 全球碳纤维总产量的 90% ,生产能力约为 31565t/a。
• 超高模量的沥青碳纤维长丝发展也很快，世界总产能 已达950t/a ，美国Amoco公司产能为 230t/a 、日 本三菱公司和日本石墨纤维公司产能分别为600t/a 和120t/a 。
• 采用射频负压软等离子法预氧化 PAN原 丝,接着用微波加热法碳化,最后用射频加 热法石墨化形成小丝束碳纤维.
➢在这一过程实现：纤维定型、 碳元素富 集
➢分子结构：聚丙烯腈高分子结构→乱层的 石墨结构→三维有序的石墨结构
2.2.1预氧化
• 射频负压软等离子法预氧化
– PAN 原丝预氧化是一个氧化、 脱氢、 脱氮和 环化的过程,达到碳元素富集和纤维定型目的.
(4)抗冲击性能较差
• 因此不单独使用，常作为增强材料。与聚合物、金属、陶瓷等基体复 合制成高性能纤维复合材料。
碳纤维的制备
• 原丝生产 • 预氧化 • 碳化 • 石墨化
例：以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料
生产工艺
• 通常用有机物的炭化来制取碳纤维
– 单体→ 聚合→ 纺前准备→ 纺丝→拉伸→水洗 →上油→干燥→原丝
• 碳纤维的高温导热性能比其它材料也要低得多（只有金属的百分之 一）。因此，碳纤维是一种很好的高温隔热材料。用于火箭、真空 电炉外壳，缩小了火箭和真空炉的体积和重量。
(8)突出的导电性能 (9)优良的吸附性能
• 多孔活性炭碳纤维的吸附能力远远超过了颗粒活性碳。
(10)碳纤维还具有耐辐射，能反射中子等特性。
– 原丝→预氧化→碳化→石墨化→碳纤维
• 生产工艺：
• 传统的：干法和湿法纺丝 • 新工艺：干喷湿纺和射频法
1.1原丝生产
• 碳纤维的品质取决于原丝,其生产工艺决定 了碳纤维的优劣.
• 从实验结果可得出 ：
1、在一定条件下横截面积愈小,碳纤维的强度 愈高；
2、均聚体纤维的强度高于共聚纤维 。 此外 ,共聚单体组分 ,分子量及分子量分布等均
• 除了浓度大于75%的硝酸和硫酸外，盐酸、硝酸、 硫酸和一些有机溶剂都无法腐蚀碳纤维。
• 其耐腐蚀性能远优于不锈钢。在一份硝酸（浓度 70%）和三份盐酸（浓度37%）配成的“王水” 中，碳纤维性能不变。
(3)比重轻——1.7~2.2
• 比一般塑料重一点。铝合金的1/2，不足钢铁的1/4。 • 比强度和比弹性模量特别高。用于需全面减轻自重
• 黏胶基碳纤维的产量不足世界碳纤维总产量的1%，它 虽然不会有大的发展,但也不会被彻底淘汰出局。
• 日本有三家大公司是世界著名的碳纤维生产企业 ： • 东丽公司 • 东邦人造丝公司 • 三菱人造丝公司
国内碳纤维发展
• 我国生产企业尚未掌握碳纤维产业化生产 技术。我国目前还没有一条产业化规模的 碳纤维生产线 ,小批量生产主要来自几家科 研单位,如山西煤化所、 上海合纤所、 北京 化工大学、 山东工业大学等。
• 制约我国碳纤维发展的 “瓶颈 ”是聚丙烯 腈原丝质量不过关。
碳纤维的分类
按力学性质： • 按功能分：
高强型 高模型 通用型等
按原料划分：
聚丙烯腈基 沥青基
•受力结构用碳纤
维
•活性碳纤维 •导电碳纤维 •耐燃碳纤维 •耐磨碳纤维等
酚醛树脂基
纤维素（以粘胶纤维为主）基
碳纤维的结构
碳纤维的缺点：
(1)比较脆、怕受压和剪切
• 碳纤维尤其害怕“打结”和“急拐弯”。
(2)抗氧化性差
• 碳纤维抗氧化性差，在高温下容易生成二氧化碳跑掉，所以它 不耐氧化。
(3)破坏前无预报
• 弹性模量高，受力后产生的变形很小，当它被拉断时，只产生0.5%的 伸长变形。
• 因此碳纤维在断裂之前，没有任何明显的征兆，人们不能在事故发生 之前采取预防措施。
模量高
抗张 性能
强度大
抗疲劳
耐化学 试剂
碳纤维 优异 性能
导电
耐热 导热
碳纤维的优良性能
(1)在纤维轴方向显示高抗拉强度和 高弹性模量
• 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23000~4300Baidu NhomakorabeaMpa亦高于钢。
• 是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高 的比模量的纤维。
• 受到温度变化时，碳纤维在它的长度方向上热缩冷胀，其膨胀 系数是负值。绝对值比钢小几十倍，比玻璃要小上百倍，实际 上近于零。
• 因此，碳纤维及其和某些塑料、金属做成的复合材料，可以用 来制造精密仪器、精密量具和精密机车的零件。而且即使在温 度变化较大的环境中使用，也还能保持其高度的精确性。
(7)常温下导热性能良好，高温下导热性能低
对原丝强度有一定影响。
2.1干喷湿纺法
• 即干湿法：
纺丝液经喷丝孔喷出,先经过空气层(亦叫干段), 再进入凝固浴进行双扩散、 相分离和形成丝条 的方法. • 特点：
• 与纯湿纺相比,干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮 芯结构的原丝,大幅提高了纤维的抗拉强度,可生产细 特化和均质化的高性能碳纤维.
2.2射频法
• 每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所 组成，直径大约5至8微米。
• 在原子层面的碳纤维跟石墨很相近，是由 一层层以六角型排列的碳原子所构成。
• 两者差别在于层与层之间的连结。 • 石墨是晶体结构，它的层间连结松散。 • 而碳纤维不是晶体结构，层间连结是不规
则的。这样便防止滑移增强物质强度。
碳纤维的优良性能
的物体，如宇航用品、交通用品、体育比赛用品。
(4)纤度细
• 几十根碳纤维合在一起约有人的头发粗细。细度可 为0.05Tex。
(5)既能耐低温，又能耐超高温
• 适用温度-180-4000ºC。碳纤维的升华温度高达3650ºC。
• 碳材料却是唯一的一种在高温下随着温度升高而强度增大的材 料。
(6)能耐温度急变，热膨胀系数小
– 放丝架→ 预氧炉Ⅰ→ 预氧炉Ⅱ →表面处理→ 收丝
– 反应具体表现为原丝的外观发生了变化：由白 → 黄 →棕褐色→ 黑色 ,并且放出一定量的 H2O、HCN和NH3 。
产业用纺织品碳纤维
• 到2005年前后，世界碳纤维的生产能力在3.4～3.8万 吨左右，主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国 等少数发达国家和我国台湾省。
• 世界 PAN基碳纤维进入发展旺盛的成熟期 ,产量约占 全球碳纤维总产量的 90% ,生产能力约为 31565t/a。
• 超高模量的沥青碳纤维长丝发展也很快，世界总产能 已达950t/a ，美国Amoco公司产能为 230t/a 、日 本三菱公司和日本石墨纤维公司产能分别为600t/a 和120t/a 。
• 采用射频负压软等离子法预氧化 PAN原 丝,接着用微波加热法碳化,最后用射频加 热法石墨化形成小丝束碳纤维.
➢在这一过程实现：纤维定型、 碳元素富 集
➢分子结构：聚丙烯腈高分子结构→乱层的 石墨结构→三维有序的石墨结构
2.2.1预氧化
• 射频负压软等离子法预氧化
– PAN 原丝预氧化是一个氧化、 脱氢、 脱氮和 环化的过程,达到碳元素富集和纤维定型目的.
(4)抗冲击性能较差
• 因此不单独使用，常作为增强材料。与聚合物、金属、陶瓷等基体复 合制成高性能纤维复合材料。
碳纤维的制备
• 原丝生产 • 预氧化 • 碳化 • 石墨化
例：以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料
生产工艺
• 通常用有机物的炭化来制取碳纤维
– 单体→ 聚合→ 纺前准备→ 纺丝→拉伸→水洗 →上油→干燥→原丝
• 碳纤维的高温导热性能比其它材料也要低得多（只有金属的百分之 一）。因此，碳纤维是一种很好的高温隔热材料。用于火箭、真空 电炉外壳，缩小了火箭和真空炉的体积和重量。
(8)突出的导电性能 (9)优良的吸附性能
• 多孔活性炭碳纤维的吸附能力远远超过了颗粒活性碳。
(10)碳纤维还具有耐辐射，能反射中子等特性。
– 原丝→预氧化→碳化→石墨化→碳纤维
• 生产工艺：
• 传统的：干法和湿法纺丝 • 新工艺：干喷湿纺和射频法
1.1原丝生产
• 碳纤维的品质取决于原丝,其生产工艺决定 了碳纤维的优劣.
• 从实验结果可得出 ：
1、在一定条件下横截面积愈小,碳纤维的强度 愈高；
2、均聚体纤维的强度高于共聚纤维 。 此外 ,共聚单体组分 ,分子量及分子量分布等均