沥青基及聚丙烯腈基碳纤维的功能和用途
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～４ ０ ０ ０ ２ ． ０ －２ ． ２ ～９ ０ ０
聚丙 烯 腈 基 碳 纤 维
１ ６ Ｏ ６ ０ ０
～
６４００
１ ． ７～ １ ． ９
～
２ ０ ０
维 难石 墨化 ， 高温烧 制而 石 墨结构 不发达 ， 强度 及 弹
产 业 运 动 用 具 人 工卫 星 飞 机 运 动 用 具 产 业
高 印刷精 度 。塑料 膜制 造装 置及 制 纸装置 的输 送辊 也发 挥 沥青基 高 弹性 碳 纤 维 的 特 点 。其 输送 辊 长 ，
１ ． ３ 低 热 膨 胀
轻 而弯 曲少 的效 果大 。
碳 纤维 由于弹性 模量 高 、 石墨 结构 发达 ， 线性 膨 胀 系数 为 负 ， 这 是 特 征 。石 墨 结 构 发 达 的 沥青 基 高
高温热处 理 的沥青 基碳纤 维是 高结 晶性 石墨结 构 的纤 维 。石墨 按结 晶取 向具有 高 导 热 Biblioteka Baidu ， 按 纤 维 轴 向石墨化 结 晶成长 的沥青 基碳 纤维按 纤 维轴 向具 有高 导热 率 。工业上 已取得 远超 金属 等 的导热率 为
１ 沥 青 基 碳 纤 维 的 特 点
停止， 可减少 停 止时 发生 的振 动 ， 提 高作业 时间 的效
率。
印刷 机 的输送 辊原 来是 钢辊 ， 难 以高速 化 ， 用 沥
青基 高 弹性模 量碳 纤维 后 ， 刚性等 同钢 辊 ， 而重量 减
轻到 １ ／ ３ ， 便 于 高速 。又碳 纤 维 制辊 减 少 弯 曲 ， 可 提
２ ０ １ ５年 （ 第 ３ Ｏ卷 ） 第 ４期
现 代 丝 绸科 学 与技 术
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改善 导 热性 。
表 ３ 各 种 材 料 的导 热率 比较 导热率／ Ｗ／ ｍＫ 密度／ ｇ ／ ｃ ｍ。
减少 能 耗 ， 对 启动 、 仃止 时 的迅速 性 发挥效 果 。轻又
高 刚性 也提 高振 动衰 减性 。机 器人 部件反 复 移动或
各 向异性 沥青基 碳纤 维从 沥青纤 维 的阶段有 按
１ ０ ０ ０ Ｗ／ ｍＫ（ 表 ３ ） 。此外 ， 比金 属 密 度 低 ； 由 于 是 直
径 １ ０ ｔ ｉ ｍ 以下 的纤维 ， 易分 散 于塑料 及橡 胶 等 ； 由于
是 纤维 ， 比粒状 填 料 ， 热 的 传 达距 离 长 ； 低 添 加量 可
关键词 ： 沥青基碳纤维 ； 聚丙 烯 腈 基 碳 纤 维
沥青 基碳 纤维具 有高 弹性模 量 、 高导 热 、 低热 膨
面 方 向扩 大 的碳结构 ， 其后 经热 处理 ， 石 墨结构 按面 方 向成长 ， 有 易石 墨 化 性 质 。因此 比聚 丙 烯腈 基 碳 纤维 ， 可 有效 控制 弹性模 量 ， 而 具有各 种 特点 。主要
１ ． ２ 高 导 热 率
平板 状 。其后 经 氧化 、 碳 化等 的热处 理 ， 取 得按 纤维
轴 方 向 石 墨 层 取 向 的 碳 纤 维 。石 墨 结 晶按 石 墨 层 扩
大方向， 由 于碳一 碳 原 子 的 强力 的双 键 ， 有 高 强度 和 刚性 ， 这 也反 映 于碳 纤 维 。又 热 膨胀 率 在 室 温 为负 膨胀 系数 ， 而 且导 热率 高 ， 这 些是石 墨结 晶发 达 的高 弹性模 量 沥青基 碳纤维 的特 征 。
的 特 性 比较 如 表 ２ 所示 。
表 ２ 沥青 、 聚 丙 烯 腈 基 碳 纤 维 的特 性 比较
胀（ 尺寸 稳定 ） 等 的功能 ｌ ＿ 】 ］ 。
碳纤 维大 都为 以丙烯 腈为 原料 的聚丙 烯腈基 碳 纤 维和煤 及石 油 由来 的沥青基 碳纤 维 。沥 青基碳 纤 维 又按 原料分 为各 向异性 沥青 和 各 向 同性 沥 青 （ 表 １ ） 。各 向异性 沥青 为 原 料 的碳 纤 维 易 石 墨化 ， 高温 烧制 而石 墨结 构发 达 ， 可取 得 高 强度 高 弹 性模 量 的
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现代 丝 绸 科 学 与 技 术
２ ０ １ ５年 （ 第３ ０卷 ） 第 ４期
沥青基及 聚丙烯腈基碳纤维的功能和用途
刘辅 庭
（ 原 上 海 市 纺 织科 学研 究 院 ２ ０ ０ ０ ９ ２ ）
摘 要 ： 综 合 介 绍 沥 青 基 碳 纤 维 和 聚丙 烯腈 基碳 纤 维 的特 性 、 功 能 及 用 途 并 进行 比较 。
弹性模 量 碳纤 维按 纤 维 方 向的 线性 膨 胀 系 数 ， 比 聚
碳纤 维 ， 制 成 长 丝 。 而 各 向 同 性 沥 青 为 原 料 的 碳 纤
项目 拉伸弹性模量／ ＧＰ ａ
拉伸强度／ ＭＰ ａ 密度 ／ （ ｇ ／ ｃ ｍ。 ） 导热 率 ／ （ Ｗ／ ｍＫ） 主 要 用 途
沥青 基 碳 纤 维 （ 长丝） ５ ５ — ９ ０ ０
沥青 基碳纤 维所 用 的原料沥 青有 非液 晶性 的各
向同性 沥青和液 晶性 的各 向异性 沥青 。液 晶高分 子 沥青 为原 料进行 熔 融 纺 丝 时 ， 流经 喷 嘴 的 细管 时 液 晶高分 子取 向 ， 按纤 维 轴 方 向芳香 族 高 分 子排 列 成
纤维 ， 由于易达 到高 弹性模 量 ， 在 ６ ０ ０ ＧＰ ａ以上 的超 弹性 模量 的领 域成本 占优 势 。 高 弹性模 量沥青 基碳 纤维 的 比刚性 比金属 等材 料 高得 多 。例 如 ， 使用弹性模量 ７ ８ ０ ＧＰ ａ的纤 维 的 复合材 料与钢 相 比 ， 比刚性约 ８倍 ， 这意 味着 在相 同 刚性设 计 时 ， 重量 约为 １ ／ ８ 。
性 模量 低 ， 主要制 成短纤 。
表 １ 沥 青 基 纤 维 的 分 类
１ ． １ 广 泛 的 弹 性 模 量
沥青基 碳纤 维 由控制热 处理 条件 可改 变纤维 的 弹性 模 量 。最 低 为 ５ ５ ＧＰ ａ， 最高为 ９ ０ ０ ＧＰ ａ以 上 。 易石 墨化 的各 向异性 沥青基 碳纤 维 比聚丙 烯腈基 碳
聚丙 烯 腈 基 碳 纤 维
１ ６ Ｏ ６ ０ ０
～
６４００
１ ． ７～ １ ． ９
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维 难石 墨化 ， 高温烧 制而 石 墨结构 不发达 ， 强度 及 弹
产 业 运 动 用 具 人 工卫 星 飞 机 运 动 用 具 产 业
高 印刷精 度 。塑料 膜制 造装 置及 制 纸装置 的输 送辊 也发 挥 沥青基 高 弹性 碳 纤 维 的 特 点 。其 输送 辊 长 ，
１ ． ３ 低 热 膨 胀
轻 而弯 曲少 的效 果大 。
碳 纤维 由于弹性 模量 高 、 石墨 结构 发达 ， 线性 膨 胀 系数 为 负 ， 这 是 特 征 。石 墨 结 构 发 达 的 沥青 基 高
高温热处 理 的沥青 基碳纤 维是 高结 晶性 石墨结 构 的纤 维 。石墨 按结 晶取 向具有 高 导 热 Biblioteka Baidu ， 按 纤 维 轴 向石墨化 结 晶成长 的沥青 基碳 纤维按 纤 维轴 向具 有高 导热 率 。工业上 已取得 远超 金属 等 的导热率 为
１ 沥 青 基 碳 纤 维 的 特 点
停止， 可减少 停 止时 发生 的振 动 ， 提 高作业 时间 的效
率。
印刷 机 的输送 辊原 来是 钢辊 ， 难 以高速 化 ， 用 沥
青基 高 弹性模 量碳 纤维 后 ， 刚性等 同钢 辊 ， 而重量 减
轻到 １ ／ ３ ， 便 于 高速 。又碳 纤 维 制辊 减 少 弯 曲 ， 可 提
２ ０ １ ５年 （ 第 ３ Ｏ卷 ） 第 ４期
现 代 丝 绸科 学 与技 术
１ ５ ９
改善 导 热性 。
表 ３ 各 种 材 料 的导 热率 比较 导热率／ Ｗ／ ｍＫ 密度／ ｇ ／ ｃ ｍ。
减少 能 耗 ， 对 启动 、 仃止 时 的迅速 性 发挥效 果 。轻又
高 刚性 也提 高振 动衰 减性 。机 器人 部件反 复 移动或
各 向异性 沥青基 碳纤 维从 沥青纤 维 的阶段有 按
１ ０ ０ ０ Ｗ／ ｍＫ（ 表 ３ ） 。此外 ， 比金 属 密 度 低 ； 由 于 是 直
径 １ ０ ｔ ｉ ｍ 以下 的纤维 ， 易分 散 于塑料 及橡 胶 等 ； 由于
是 纤维 ， 比粒状 填 料 ， 热 的 传 达距 离 长 ； 低 添 加量 可
关键词 ： 沥青基碳纤维 ； 聚丙 烯 腈 基 碳 纤 维
沥青 基碳 纤维具 有高 弹性模 量 、 高导 热 、 低热 膨
面 方 向扩 大 的碳结构 ， 其后 经热 处理 ， 石 墨结构 按面 方 向成长 ， 有 易石 墨 化 性 质 。因此 比聚 丙 烯腈 基 碳 纤维 ， 可 有效 控制 弹性模 量 ， 而 具有各 种 特点 。主要
１ ． ２ 高 导 热 率
平板 状 。其后 经 氧化 、 碳 化等 的热处 理 ， 取 得按 纤维
轴 方 向 石 墨 层 取 向 的 碳 纤 维 。石 墨 结 晶按 石 墨 层 扩
大方向， 由 于碳一 碳 原 子 的 强力 的双 键 ， 有 高 强度 和 刚性 ， 这 也反 映 于碳 纤 维 。又 热 膨胀 率 在 室 温 为负 膨胀 系数 ， 而 且导 热率 高 ， 这 些是石 墨结 晶发 达 的高 弹性模 量 沥青基 碳纤维 的特 征 。
的 特 性 比较 如 表 ２ 所示 。
表 ２ 沥青 、 聚 丙 烯 腈 基 碳 纤 维 的特 性 比较
胀（ 尺寸 稳定 ） 等 的功能 ｌ ＿ 】 ］ 。
碳纤 维大 都为 以丙烯 腈为 原料 的聚丙 烯腈基 碳 纤 维和煤 及石 油 由来 的沥青基 碳纤 维 。沥 青基碳 纤 维 又按 原料分 为各 向异性 沥青 和 各 向 同性 沥 青 （ 表 １ ） 。各 向异性 沥青 为 原 料 的碳 纤 维 易 石 墨化 ， 高温 烧制 而石 墨结 构发 达 ， 可取 得 高 强度 高 弹 性模 量 的
ｌ ５ ８
现代 丝 绸 科 学 与 技 术
２ ０ １ ５年 （ 第３ ０卷 ） 第 ４期
沥青基及 聚丙烯腈基碳纤维的功能和用途
刘辅 庭
（ 原 上 海 市 纺 织科 学研 究 院 ２ ０ ０ ０ ９ ２ ）
摘 要 ： 综 合 介 绍 沥 青 基 碳 纤 维 和 聚丙 烯腈 基碳 纤 维 的特 性 、 功 能 及 用 途 并 进行 比较 。
弹性模 量 碳纤 维按 纤 维 方 向的 线性 膨 胀 系 数 ， 比 聚
碳纤 维 ， 制 成 长 丝 。 而 各 向 同 性 沥 青 为 原 料 的 碳 纤
项目 拉伸弹性模量／ ＧＰ ａ
拉伸强度／ ＭＰ ａ 密度 ／ （ ｇ ／ ｃ ｍ。 ） 导热 率 ／ （ Ｗ／ ｍＫ） 主 要 用 途
沥青 基 碳 纤 维 （ 长丝） ５ ５ — ９ ０ ０
沥青 基碳纤 维所 用 的原料沥 青有 非液 晶性 的各
向同性 沥青和液 晶性 的各 向异性 沥青 。液 晶高分 子 沥青 为原 料进行 熔 融 纺 丝 时 ， 流经 喷 嘴 的 细管 时 液 晶高分 子取 向 ， 按纤 维 轴 方 向芳香 族 高 分 子排 列 成
纤维 ， 由于易达 到高 弹性模 量 ， 在 ６ ０ ０ ＧＰ ａ以上 的超 弹性 模量 的领 域成本 占优 势 。 高 弹性模 量沥青 基碳 纤维 的 比刚性 比金属 等材 料 高得 多 。例 如 ， 使用弹性模量 ７ ８ ０ ＧＰ ａ的纤 维 的 复合材 料与钢 相 比 ， 比刚性约 ８倍 ， 这意 味着 在相 同 刚性设 计 时 ， 重量 约为 １ ／ ８ 。
性 模量 低 ， 主要制 成短纤 。
表 １ 沥 青 基 纤 维 的 分 类
１ ． １ 广 泛 的 弹 性 模 量
沥青基 碳纤 维 由控制热 处理 条件 可改 变纤维 的 弹性 模 量 。最 低 为 ５ ５ ＧＰ ａ， 最高为 ９ ０ ０ ＧＰ ａ以 上 。 易石 墨化 的各 向异性 沥青基 碳纤 维 比聚丙 烯腈基 碳