沥青基碳纤维简介

图1 各向同性沥青基碳纤维的微观结构示意图
4、沥青基碳纤维的制备工艺
通用型沥青基碳纤维一般只能做复合材料增强剂、吸附 剂、文文体用品等，因此对沥青的预处理没有太高的要求。 下面就介绍一下通用型沥青基碳纤维制备过程。 4.1 原料沥青的精制 沥青中，特别是煤焦油沥青中常含有游离炭和固体杂 质，它们在纺丝过程中可能堵塞纺丝孔，细小颗粒残留在 纤维中则是碳纤维的断裂源。此，必须对沥青进行精制， 。 以除去这些不溶物杂质 。通常采取的方法是在沥青中加 入一定量的溶剂，并将沥青加热到100℃以上，用不锈钢 网或耐热玻璃纤维等进行过滤 ，在热过滤过程中，还必 须用一定的氮气进行保护，防止过滤时沥青的氧化 。
当然各种调制后的沥青需要进行分离，主要用来 分离的方法有沉降法和热滤法,超声波分离等等， 从而达到出去各向同性沥青中的二次喹啉不溶物 的目的。 • 4.3 纺丝工艺 碳纤维的纺丝方法主要有挤压法、离心法、熔 吹法、涡流法。挤压法是用高压泵将熔化的高温 液体沥青压入喷丝头，挤出成细丝；离心法是将 熔化的高温沥青液体在高速旋转的离心转鼓内通 过离心 力作用被甩出立即凝固成纤维丝；熔吹法 是将熔化的高温沥青液体送到喷丝头内，沥青液 体从小孔压出后立即被高速流动的气体冷却和携 带牵伸成纤维丝；涡流法是将高温液体沥青由热 气流在其流出的切线方向吹出并被牵伸，所纺出 的纤维具有不规则的卷曲。
4.6 沥青基碳纤维的后处理
• 为进一步提高沥青纤维以消除 表面杂质，并在纤维表面形成微孔，增加表面能。 但是这方面由于要根据具体的实际需要而定。
• 5 沥青基碳纤维的应用领域
碳纤维除用于高温绝热材料外，一般不单独使 用，常加入到树脂、金属或陶瓷、碳、水泥等基 体中，构成碳纤维增强复合材料，是一种极为有 用的结构材料。它不仅质轻、耐高温，而且有很 高的抗拉强度和弹性模量，具有广泛的应用领域 前景。但是由于制作成本相对来说比较高，限制 了其应用范围。现阶段主要应用于航空航天 、体 育及医疗用品 、一般工业 、土木建筑 等。
沥青基碳纤维简介
1、引言 、
沥青基碳纤维是一种以石油沥青或煤沥 青为原料，经沥青的精制、纺丝、预氧化、 碳化或石墨化而制得的含碳量大于92％的 特种纤维。因其具有高强度、高模量、耐 高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电与 导热等优良性能，是航空航天工业中不可 缺少的工程材料，另在交通、机械、体育 娱乐、休闲用品、医疗卫生和土木建筑方 面也有广泛应用，是一种属于军民两用的 高技术纤维。
温度依赖性使纤维成形时的纺丝温度变得 非常重要。纺丝温度的微小变化可导致纺 丝压力波动很大 。除此之外，挤出流速、 收丝速度及这两者的比值(牵伸比)都会影响 着碳纤维的机械性值。
(a)
(b)
图4纺丝装置,其中a为喷溶装置，b为纺熔装置
4.4 沥青纤维的不熔化处理
沥青纤维必须通过炭化，充分除去其中非 碳原子，但由于沥青的可溶性和粘性，而 不能形成单丝的碳纤维，所以必须先进行 碳纤维的预氧化处理 。同时还可以提高沥 青纤维的力学性能 。沥青纤维在氧化过程 中发生了十分显著的化学变化和物理变化, 其中最主要的变化是分子之间产生了交联 ， 使纤维具有不溶解、不熔融的性能。 目 前，预氧化有气相法和液相法两种，气相 法氧化剂通常采用空气、NO2、SO3、臭 氧和富氧气体等；液相法氧化剂采用硝酸、 硫酸、高锰酸钾和过氧化氢等溶液 。
一般来说，沥青基碳纤维分为通用型沥 青基碳纤维和高性能沥青基碳纤维两种。 通用型沥青基碳纤维为各向同性型，其在 结构上存在着不均匀性。既存在着有序排 列程度较高的晶区，又存在着有序程度较 低的非晶区。晶区由无规取向的片状微晶 组成，微晶之间相互缠绕，并通过分叉形 成网状结构。由发展不充分的微晶或无定 形碳组成的非晶区镶嵌在微晶之间的“网 眼”中。
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3、性能
碳纤维具有和碳类似的化学性质，在空 中当达到400℃左右时会发生氧化反应生成 CO2或者CO，但是当隔绝氧气后，使用温 度可达到2000℃左右，并且温度越高，纤 维强度越大。这些特点使得碳纤维具有高 强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、 抗蠕变、导电与导热等优良性能。
根据其性质的不同又可将碳纤维分为碳 纤维有高强型(HT)、通用型(GP)、高模型 (HM)、高强高模型(HP)等多种规格，其性 能指标见表2：
图5 HNO3（20wt％）处理后的碳纤维的SEM图
4.5 沥青基碳纤维的碳化和石墨化
• 预氧化后的沥青基碳纤维送到惰性气氛中 进行炭化或石墨化处理，以提高最终力学 性能。炭化是指在1200℃左右进行处理， 而石墨化则是在接近3000℃的条件下进行。 炭化时，单分子间产生缩聚，同时伴随着 脱氢、脱甲烷、脱水反应，由于非碳原子 不断被脱除，炭化后的纤维中碳含量可达 到92％以上，单丝的拉伸强度、模量增加。
2、发展历程
沥青基碳纤维的研究开发始干20世纪50 年代末期，60年代初由日本群马大学研制 成功，在日本吴羽化学公司实现工业化生 产 ，美国联合碳化物公司于1970年也成功 开发出了以石油沥青为原料的沥青基碳纤 维。我国对沥青基碳纤维的研制已有40年 的历史，发展较慢 ，但由于生产成本较低， 价格约为聚丙烯腈基碳纤维的1/3~1/4，这 将为我国沥青基碳纤维的发展提供良好的 机遇 。
图2 试剂调制后碳纤维的SEM图
4.2 沥青的调制
沥青调制的目的一是除去沥青中的轻组 份，防止在纺丝过程中产生气泡，造成丝 的断裂；二是提高软化点，使分子量分布 均匀。调制是通过沥青的热缩聚、加氢预 处理、溶剂萃取的方法制取可纺沥青。调 制的一般方法是空气吹扫法和热缩聚法 。
图3沥青热缩聚后的偏光显微图 （其中a为煤沥青在370℃下缩聚4h，b为石油沥青在370℃下缩聚4h）