碳纤维

碳纤维

1．概要：首先要纤维状的、其次也要是碳素材料的、再者必须含碳量达到90%以上的，满足上述条件的才能称之为碳纤维。而石墨纤维便是含碳量高达99%以上的。

2．发展历程：略。

3．公司：东邦人造丝、东丽、台湾台塑等。

4．表示方法：T300、M40中T代表含碳量为90%的碳纤维；M代表含碳量为99%以上的石墨纤维。5．分类；见下表：

碳纤维的分类

原料聚丙烯腈、沥青基、黏胶基、气相生长纤维

丝束大、小丝束

性能普通(通用)、高强

功能受力结构用、耐焰、活性炭、导电用、润滑用、耐磨用

备注：

●碳纤维：碳化温度1200～1500℃，碳含量90％以上。

●石墨纤维：石墨化温度2000℃以上，碳含量99％以上。

●活性碳纤维：气体活化法，CF在600～1200℃，用水蒸汽、CO2、空气等活化。

●气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有机物在高温下沉积成纤维成晶须或短纤维。

6．单位：用K表示；有1K、3K、6K、12K、24K、48K（丝束）。

7．产品：长纤、碳纤布、预浸料、短纤。相关设备；织布机、预浸机。

8．性能；

◆高强度、高模量、低密度、线膨胀系数小；

◆具有良好的耐腐蚀性与沿着纤维方向良好的导电性能和良好的导热性，其导电性可与铜相比，碳纤维

能透X射线；

◆在与氧气接触时，其耐温达到400℃，耐高低性能好，在未与氧气接触时，其耐温高达3000℃；

◆表面活性低（层间剪切强度低），石墨化越高、表面惰性就越大；

◆疲劳强度高；

◆耐油、减速中子运动等；

◆耐化学性能好（仅不耐硝酸、硫酸酸钠）、耐水性能好、耐氧化性较差；

◆拉伸强度：2—7GPa；

◆抗压强度：3500MPa；

◆弹性模量：200—700GPa。

9．碳纤维的缺点：

1)复杂的应力计算

碳纤维的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。

2)难于更改尺寸

由于作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。

3)老化

很多使用者发现碳纤维产品放置在阳光下时会逐渐变白。因此最好不要放置在阳光下。

4)价格较高

生产原材料的厂家不多，产量有限；工艺复杂，开模的费用较高，机械价格也较贵。

10．对比；见下表：

各种纤维对比

碳纤维比于芳纶纤维界面黏结性好；拉伸强度相当，模量高；脆性差，冲击强度差，密度大；抗压、抗扭转性能好；碳纤维属于无机纤维。

碳纤维比于玻璃纤维耐腐蚀、耐水性好；表面活性比玻纤低，基体材料的黏结力差；弹性模量高，断裂伸长率低；都属于无机纤维。

玻璃纤维比于芳纶纤维芳纶不属于无机纤维；介电性能差。

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备注：

●氧化性中：碳纤维高模量优于低模量（PAN基碳纤维）；

●芳纶纤维的拉伸强度约E-玻璃纤维的1.5倍；

●它的密度不到钢的1/4，但抗拉强度却是钢的7～9倍，抗拉弹性也高于钢；与传统的玻璃纤维（GF）

相比，杨氏模量（指表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量）是其3倍多；与凯芙拉纤维（K-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。11．碳纤维的制造条件：

碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，采用间接方法来制造。一般以有机纤维为原料制造CF的过程。

1)原丝（有机纤维）的选择条件：强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等；

2)基本条件：加热时不熔融，可牵伸，且CF产率高等；

3)常用的CF原丝：聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维等。

12．以粘胶纤维为原料制造CF：

粘胶纤维由于具有环状分子结构，所以可以直接进行碳化或石墨化处理，加热不会熔融，不需予氧化处理进行环化。

1)缺点：粘胶中含有大量的H、O原子，所以碳化理论收率仅55%，实际收率约20～30%；粘胶基CF 强度较低，性能平衡性差，弹性系数较大。

2)优点：瞬间耐烧蚀性能好，可用作火箭的内衬材料。

◆热处理过程：

✧25～150℃，脱去粘胶纤维的吸附水（脱去物理吸附的水）；

✧150～240℃，纤维素环的脱水（脱去化学吸附的水）；

✧240～400℃，自由基反应，C—O键及C—C键断裂，放出H2O、CO、CO2等气体；

✧400℃以上，进行芳香化，放出H2。

小结：在整个处理过程中，为使CF性能优良，产率高，所以要求加热速度较慢，而且不同的过程中，加热速度也不同。

13．以PAN为原丝制造碳纤维：

目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料来制造的。

◆CF制造过程中最主要环节：

原丝制备；

原丝予氧化；

预氧化丝碳化或进一步石墨化。

基本工艺流程；见下图：

14．以沥青为原料制造碳纤维：

除天然沥青外，一般将有机化合物在隔绝空气或在情性气体中热处理，在释放出氢、烃类和碳的氧化物的同时，残留的多环芳烃的黑色稠状物质称为沥青。其含碳量大于70％，平均分子量在200以上，化学组成及结构千变万化，它们是结构变化范围极宽的有机化合物的混合物。

优点：沥青资源丰富，成本可降低。在民用方面有很大潜力。

●沥青基碳纤维目前主要有两种类型：

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力学性能较低的所谓通用级沥青基碳纤维－－各向同性沥青碳纤维；

拉伸强度特别是拉伸模量较高的中间相沥青基碳纤维－－各向异性沥青基碳纤维。

15．碳纤维的表面处理：

提高碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。有以下两种；

表面清洁法：

将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，可以去除吸附水，并使其表面得到净化。

液相氧化法：

1)酸处理法：最常用的是浓硝酸和不同浓度的硝酸。除硝酸外，还常用硫酸来处理。

2)其他液相氧化剂处理：如过氧化氢（H2O2）、次氯酸钠（NaClO）、高锰酸钾（KMnO4）、重铬酸钾

（K2Cr2O7）、重铬酸钾/硫酸、高锰酸钾/硫酸等。

3)液相氧化法的缺点：由于大量废酸废液产生，所以环境污染较大；液相氧化多为间歇操作，所需处理

时间较长，与碳纤维生产线相匹配有困难。所以多用于间歇表面处理和研究表面处理的机理。近年来已逐渐被淘汰。液相氧化时，纤维处理后一定要清洗干净，否则将影响碳纤维与基体的粘结强度。

4)气相氧化法：包括空气氧化、臭氧O3氧化法。

◆采用空气氧化优点缺点如下；

✧优点：设备简单，反应时间短，容易和碳纤维生产线衔接起来，无污染，可连续处理；

✧缺点：反应较难控制，易使纤维纵深氧化，使碳纤维强度损失严重。

◆采用臭氧O3氧化法优点缺点如下：

✧优点：工艺简单，参数易于控制，设备造价低，处理时间短，处理效果显著，并已得到实际应用；

✧缺点：臭氧对人体有害，对含臭氧废气的处理应采取有效措施。

5)过度氧化：使碳纤维强度损失严重；碳纤维增强复合材料（CFRP）弯曲强度下降；碳纤维和基体过

分粘结甚至可使复合材料变脆，并对缺陷的敏感性增大。

6)电化学氧化法(也称电解氧化法)：

◆以碳纤维为阳极，镍板、石墨板、铜板、白金板、白钢板等为阴极，在电解质溶液中于一定电流密度

下，靠电解作用产生的初生态氧对碳纤维进行氧化刻蚀，并形成含氧官能团；

◆电化学氧化法的影响因素：电解质种类；电流大小；处理时间等；

✧经过电化学处理后可达到的效果：表面刻蚀形成沟槽，使碳纤维的表面积增加；表面官能团数量，可

在C碳纤维表面引入—OH，—COOH等；

✧电化学氧化法的优点：处理条件缓和、反应易控、操作简便；处理时间短，可以直接与碳纤维生产线

相连。

7)等离子体处理：

随着物质能量的增加，物质的状态将发生由固→液→汽的转变，进一步增加气体能量，则气体原子中的电子可以脱离原子而成为自由电子，原子成为正离子，这种含电子、正离子和中性粒子的混合体，称为等离子体；

◆通过等离子体处理，可产生以下效果：

✧使碳纤维表面的沟槽加深，粗糙度增加；

✧并在纤维的表面产生了一些活性基团。

8)表面涂层法；

◆即将某种聚合物、表面处理剂、偶联剂或金属涂覆在CF表面。有气相沉积法、表面电聚合、偶联剂

涂层、晶须生长法。

✧气相沉积法：在碳纤维表面沉积无定型碳、金属涂层等；

✧表面电聚合：在电场的引发作用下使物质单体在碳纤维表面进行聚合反应，生成聚合物涂层；

✧偶联剂涂层：用偶联剂处理低模量碳纤维；

✧晶须生长法：在碳纤维表面通过化学气相沉积生成碳晶须、SiC晶须等，改善碳纤维表面状态、成分

及性能。

真正有实用价值的表面处理方法应具备的条件：

处理效果好，处理后CF强度基本不变或略有下降，最好升高；

处理时间短，可与CF生产线相匹配；

能够连续长时间处理，且操作简单、生产成本低。

16．上浆处理：

◆上浆处理的作用：

✧保护纤维表面的活性基团；

✧可以使碳纤维具有良好的集束性，从而使纤维以后的缠绕织造工艺操作简单，并且纤维束损伤较少（保

护作用）；

✧选择合适的上浆剂可以达到改善CF表面性能、提高复合材料剪切强度的目的。

上浆剂：

一般采用基体树脂或与之结构相近的树脂溶液，但是由于溶剂挥发使树脂残留在导辊上，纤维通过时就将造成更大损伤，同时又使车间环境受到溶剂污染。目前：多采用乳液型上浆剂；一种树脂为主体，配以一定量的乳化剂，少量或没有交联剂，以及为提高界面粘合性的助剂，配制成的乳液。

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