37碳纤维

——无机纤维中的骄子概念通常将在1000~2300℃范围内碳化得到的纤维称为碳纤维（CF）,将在2300℃以上碳化得到的纤维称为石墨碳纤维（GRCF）。碳纤维指在化学组成中碳元素质量分数在90%以上的纤维材料。碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维材料，是一种非金属材料，它不属于有机纤维范畴，但从成型方法看，它又不同于一般的无机纤维。石墨碳纤维有类似于石墨的结构，导电性好并有金属光泽，含碳量超过98%；碳纤维性能优良，拉伸断裂强度和初始模量可达2~4GPa和400~700GPa，质强而且很轻，并有耐高温、耐腐蚀、耐辐射的功能，有非常广泛的应用领域。碳纤维目前被划分为宇航级和工业级两类，亦称为小丝素和大丝素。通常把48K以上的碳纤维称为大丝素碳纤维，包括60K、120K、360K和480K等。工业级碳纤维应用于不同民用工业，包括纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。宇航级碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K，主要应用于国防军工业和高技术以及体育休闲用品，像飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。碳纤维的种类根据制备碳纤维的原料，可将它分成以粘胶（纤维素）纤维为原料的粘胶基碳纤维、以聚丙烯腈纤维为原料的聚丙烯腈基碳纤维、以沥青为原料的沥青基碳纤维和以酚醛树脂为原料的酚醛树脂基碳纤维等。根据碳纤维的力学表现，可将它分成通用碳纤维和高性能碳纤维两大类，高性能碳纤维又可分为高强型碳纤维和高模型碳纤维两类。根据碳纤维的功能，可将它分为受力结构碳纤维、活性碳纤维、导电碳纤维、耐燃碳纤维、耐磨碳纤维。碳纤维的生产粘胶基碳纤维的生产生产时，首先将纤维置于氮等惰性气体中作低温（400℃以下）稳定化处理，进行预氧化，然后在400℃以上实现芳构化过程，获得石墨类结构，从而形成碳纤维和石墨纤维。这样一个热解碳化处理过程在五个温度阶段中实现。第一阶段：升温至50~150℃，排出吸附水。第二阶段：升温至150~240℃，纤维素环上的羟基将以水的形式脱除，生成第三阶段：升温至240~400℃，键断裂，生成水、CO、CO2，达到400℃时，整个纤维素环破坏，生成C4残链。第四阶段：升温至400~700℃，通过芳构化生成碳的六元环，同时释放出氢和甲烷等；再升温至900~1600℃，即生成石墨类结构，形成碳纤维。第五阶段：温度再升高，即形成沿纤维轴取向的乱层石墨层片，在温度升高至2200~2800℃的石墨化温度时，形成石墨纤维，利用塑性拉伸，可使纤维的拉伸强度和初始模量大幅度提高。聚丙烯腈基碳纤维的生产用作碳纤维的聚丙烯腈纤维和民用的同名纤维不同，为了促进预氧化和环化交联反应的实施，用作碳纤维基的聚丙烯腈纤维中还应含有丙烯醛、甲基丙烯酸、羟乙基丙酸烯腈、甲基乙基酮等共聚物，同时聚丙烯腈的相对分子质量也应比民用聚丙烯腈略高，约8~10万。聚丙烯腈基碳纤维成形过程中结构与元素变化聚丙烯腈基碳纤维生产流程示意碳化机理与碳化前的原丝相比，碳纤维在性能上有很大变化，主要是因为碳化改变了纤维的结构。碳化和纤维的常规变性不同，碳化使分子结构单元发生了根本的改变。在预氧化纤维形成后，纤维原有的结构已彻底被破坏；随后，随碳化过程的进行，结构破坏后形成的热裂纤维素C4残链又通过热缩聚或交联建立起了新的结构。热裂纤维素的C4残链纵向热缩聚过程热裂纤维素的C4残链横向热缩聚过程碳纤维的主要性能:(1)密度小、质量轻,密度为1.5~2g/cm3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;(2)强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复100%;碳纤维的性能与应用(3)具有各向异性,热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂;(4)导电性好,25℃时高模量纤维为775μΩ/cm,高强度纤维为1500μΩ/cm;(5)耐高温和低温性好,在3000℃非氧化气氛下不融化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;(6)耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀.此外,还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性.表1各种原丝基碳纤维的性能表2为热处理温度对石墨纤维（PAN）性能的影响碳纤维的最为突出的主要性能是强度大、模量高和密度低。此外，还有耐高温可在2000℃下使用，3000℃非氧化气氛中不熔不软；耐疲劳、热膨胀系数小、摩擦系数小和热传导性好；耐腐蚀方面能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介质的浸蚀；与其它材料相容性高、与生物的相容性好；又兼备纺织纤维的柔软可加工性，易于复合，设计自由度大。由于碳纤维有许多性能上的优势，所以碳纤维的复合材料现已广泛应用于航空航天、军事、能源交通、信息通讯和建材等领域。例如，在航天和军事领域，碳纤维被用来制造航天飞机的轨道器、火箭和导弹的轻质用材、人造卫星的各种结构；在航空高新技术应用领域，则被用来制造电子对撞机的构件、铀的分离与浓缩、先进客机制造（15%用材）、战斗机轻量化、制动材料等。