碳纤维的技术及应用

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1、碳纤维的技术及应用碳纤维是由有机母体纤维（例如粘胶丝、PAN聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的。其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。碳纤维是一种含碳量高于99%的无机高分子纤维，其含碳量随种类不同而异，其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，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

2、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。根据原料不同，碳纤维可分为粘胶基碳纤维、PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。其中，粘胶基碳纤维主要用于耐烧蚀材料，PAN基碳纤维主要用于生产高强度纤维，沥青基碳纤维主要用于生产高模量纤维。沥青基碳纤维根据沥青的结晶状态，可分类为等方性和中间相2种，等方性耐热性和耐药品性、滑动性优异，中间相具有高强度、高模量等机械特性。根据碳纤维的机械强度与模量的高低，可分为5级性能，分类如下表：表1碳纤维分类等级范围1高模量纤维（HMfiber）＞

3、500GPa2高强度纤维（HTfiber）＞3GPa3中模量纤维（IMFiber）：强度100-200MPa，模量100-500Gpa4低模量纤维（LMFiber）：模量100-200Gpa5一般级GP：模量＜100GPa，强度＜1GPa根据炭化温度不同，分为三种类型。（1）普通型（A型）碳纤维：在900～1200℃下炭化得到的碳纤维。强度和弹性模量都较低。一般强度小于107.7cN/tex,模量小于13462cN/tex。（2）高强度型（Ⅱ型或C型）碳纤维：在1300～1700℃下炭化得到的碳纤维。强度很高，可达138.4～166.1

4、cN/tex，模量约为13842～16610cN/tex。（3）高模量型（Ⅰ型或B型）碳纤维：又称石墨纤维。在炭化后再经2500℃以上高温石墨化处理得到的碳纤维。强度较高，约为97.8～122.2cN/tex。模量很高，一般可达17107cN/tex以上，有的甚至可达31786cN/tex。碳纤维主要有四种产品形式：纤维、布料、预浸料坯和短切纤维。布料是指由碳纤维制成的织品；预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状；短切纤维指的是短丝。一碳纤维发展美国联合碳化物公司（UCC）于1959年开始最早生

5、产粘胶基碳纤维，五六十年代是粘胶基碳纤维的鼎盛时期，虽然时期已开始衰退，但是它作为耐烧蚀材料至今仍占有一席之地。1959年，日本研究人员发明了用聚丙烯腈（PAN）原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道。PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流，产量占世界总产量的90%左右。1974年，美国联合碳化物公司开发了高性能中间相沥青基碳纤维Thornel-35的研制，并取得成功。目前Thornel-P系列高性能沥青碳纤维仍是最好的产品，这样就形成了PAN基、沥青基和粘

6、胶基碳纤维的三大原料体系。在20世纪90年代中期以前，军事工业、航天与航空工业与体育休闲业一直是CT型碳纤维的主要市场。自1996年美国成功地将LT型碳纤维工业化以后，CT型碳纤维与LT型碳纤维竞争十分激烈。二粘胶基碳纤维生产粘胶基炭纤维的原料主要有木浆和棉浆。美国、俄罗斯和白俄罗斯采用木浆，我国则以棉浆为主。天然纤维素浆粕配制成纺丝液，用湿法纺制成粘胶连续长丝。粘胶纤维经水洗和浸渍催化剂后，再经预氧化和炭化工序就可转化为炭纤维。浸渍催化剂和预氧化处理是制造粘胶基炭纤维的重要工序，是由有机纤维粘胶丝转化为无机炭纤维的关键所在。粘胶基炭纤

7、维在结构和性能上有许多独道之处，其它种类炭纤维无法与其比拟，因而不会被彻底淘汰出局。它的独特性能主要表现在：比重小，一般比PAN基、沥青基小15%左右，所制复合材料的结构轻量化效果更显著；属于难石墨化炭，类似玻璃炭，层间距d002大，石墨微晶不发达，排列紊乱、取向度低、强度低、模量低、伸度大，属于大伸长型炭纤维，韧性好，易深加工；碱、碱土金属含量低，抗氧化和热稳定好，耐烧蚀；粘胶基炭纤维主要应用于以下几个方面：⑴战略武器方面的应用。美国和俄罗斯把粘胶炭纤维增强酚醛树脂复合材料用于战略武器的隔（防）热材料，利用了粘胶基炭纤维耐烧蚀的特性和

8、酚醛树脂残碳量高、焦化强度高和发烟量少的性能，两者的性能叠加，使其复合材料的综合性能优异无比，成为当今仍是不可取代的防热材料。美国和俄罗斯仍保留有年产百吨级粘胶基炭纤维的生产能力，原因就在于此。⑵隔热保温材