碳纤维

新材料----碳纤维的特点及应用发展

班级：车辆075班姓名：徐守霞学号：200704040

摘要：本文通过对弹纤维的这种新材料的详细描述，从而更加清楚的阐述了碳纤维的历史发展过程特点及其未来的前景。

关键字：碳纤维的历史碳纤维的结构及特性生产工艺及产品形式应用范围碳纤维在我国的现状

前言：碳纤维是近年来发展非常迅速的一种新型高性能复合材料，它的优点正被人们使用在越来越多的领域，随着科技的发展它的制造会更加容易，成本也会降低，它的适用范围会更加的广泛，它将是未来的生产材料中非常重要的组成部分，我们的生活可能会越来越多受到它的影响，因此了解碳纤维的相关知识显得很重，本文就是基于这样的想法整理的。

碳纤维诞生于18世纪中期，1879年爱迪生用天然竹子和纤维素制成了最初的商业化碳纤维，并将它用作电灯丝，后来被钨丝取代，其后发展缓慢。直到20世纪50年代随着宇航、航空、原子能等尖端技术和军事工业的发展，碳纤维又重新以新型工业材料受到重视。1950年由美国空军首先研制成功人造丝基碳纤维，1959年由美国联合碳化物公司（UCC）实现了工业化；1961年日本进藤昭男发明聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，1964年英国瓦特（Watt W.）在预氧化过程中对纤维施加张力，开发了高性能碳纤维的生产技术，1969年英国考陶尔（Courtaulas）、日本碳、东丽等公司实现了工业化生产；八十年代后期各生产厂发展从原丝到中间基材的配套，尽力扩大生产规模，提高经济效益。

碳纤维（carbon fibre），又称碳化纤维，泛指一些以碳纤维编织或多层复合而成的材料。因为它又轻又坚硬，所以它的用途很广泛。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。

一般碳纤维的密度为1750 kg/m3。导热能力高但传电能力低，碳纤维的比热容量亦比铜低。当加热的时候，碳纤维会变厚而短。虽然碳纤维的天然颜色是黑色，但科学家可以把它染上不同的颜色。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF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。

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。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模

量也比钢高。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，因此不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。

碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。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。但其耐冲击性较差，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。

对于碳纤维的生产工艺，当生产PAN基碳纤维的时候，被称为“母体”的聚丙烯腈纤维首先要通过聚合和纺纱工艺加工聚丙烯腈而成。然后，将这些母体放入氧化炉中在200到300摄氏度进行氧化。另外，还要在碳化炉中，在温度为1000到2000摄氏度间进行碳化制成碳纤维。除了常规类型的细碳纤维之外，PAN 基碳纤维还包括粗纤维，被称为“人丝束类型碳纤维”，这种粗纤维的生产成本比较低。碳纤维按状态分为长丝、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（MPa）、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。

目前，各种应用占碳纤维年需求的比例如下：体育应用大约为30％，航空应用为10％，工业应用为60％。体育应用中的三项重要应用为高尔夫球棒、钓鱼杆和网球拍框架，而在F1方程式赛车上的应用也十分广泛，F1的车身就是全碳纤维打造的，她结实外壳有效地保障了车手的安全。近年来碳纤维被航空制造业选为“首要的结构材料”，例如欧洲空客在A380就应用路大量的碳纤维。在工业领域，碳纤维的应用也相当广泛，作为材料，它们正在替代金属和混凝土来满足环境、安全和能源要求，在工业领域对碳纤维的需求量正在呈现上升趋势。碳纤维的其它应川包括机器元件、家用电器、微机、及与半导体相关的设备的复合材料的生产，可以用来起剑加强，防静电，和电磁波防护的作用，另外，在X 射线仪器市场上，碳纤维的应用可以减少人体住X射线下的暴露。

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，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。但是由于我国的碳纤维发展长期受到国外的技术封锁我国未能掌握先进的碳纤维技术和设备。因此，发展高性能碳纤维必须要靠我们自己。我国化学纤维工业“十一?五”发展规划中提出了“从以增加数量为主转向大力发展高新技术纤维”，特别是把事关国家产业安全的高新技术纤维材料作为重中之重，而且碳纤维被列为首位，国家“863 计划”以及有关部委都在关心我国碳纤维工业的发展及其产业化步伐，并给予强有力的支