碳纤维综述

摘要: 聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。 关键词：PAN基碳纤维 碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景 航天 军事 体育用品

1. 碳纤维结构

碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。

碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。

2. PAN基碳纤维的制备

从原料丙烯晴到聚丙烯晴基碳纤维的制备过程中可以看出四个关键步骤：PAN的聚合，原丝的制备，原丝的预氧化以及预氧化丝的炭化和石墨化。

2.1 PAN的聚合

由于PAN分子结构的特性，纯聚体PAN不适宜作为碳纤维前驱体。工业生产中，往往采用共聚PAN来制备PAN原丝。引入共聚单体可以起到如下作用：减少聚合物原液中凝胶的产生；增加聚合物的溶解性和可纺性；降低原丝环化温度及变宽放热峰。但也可能带来一些负作用：降低原丝的结构规整性和结晶度；增加大分子链结构的不均匀性；引入更多的无机和有机杂质等。

2.2 原丝的制备

PAN在熔点（317°C）以下就开始分解，因此形成纤维主要通过湿法或干湿法进行纺丝。 干湿法纺丝由于将挤出膨化与表皮凝固进行了隔离，纤维的成形机理有所改变，因此湿法纺丝凝固过程中皮层破裂或径向大孔及表皮褶皱等现象基本消失，干湿法纺丝的原丝表面及内

单体引发剂 碳纤维 聚合 纺丝 原丝 预氧化 预氧丝 上浆 石墨纤维 表面处理 炭化 石墨化 部的缺陷减少、致密性提高。干湿法纺丝还具有高倍的喷丝头拉伸（3~10mm的空气层是有效拉伸区），纺丝速度高（为湿法纺丝的5~10倍），容易得到高强度、高取向度的纤维等特点，从而保证了碳纤维有足够的强度，是当前碳纤维原丝生产的发展方向。 2.3 原丝的预氧化

预氧化过程中原丝的颜色由白色向黄、棕、黑过渡，主要发生的反应为脱氢、环化及氧化反应，其中环化反应是预氧化过程中最关键的一步。

环化反应：PAN热处理时，分子间相邻氰基的加成反应，形成稳定性较高的梯形结构。 脱氢反应：为环化的聚合物或环化的杂环均可由于氧的作用发生脱氢反应，产生大量的水。脱氢反应是预氧化过程中主要反应之一，其结果导致主链上双键的形成，赋予主链更高的稳定性，使预氧化丝具有耐燃性。

氧化反应：预氧化开始时，氧化脱氢为氧化反应的主要部分。除此之外，氧同时还直接与预氧化丝结合，主要生成羟基、羰基、羧基等。若PAN原纤被充分预氧化，在预氧化丝中的含氧量甚至课高达16%~23%。

影响PAN原丝预氧化的因素只要有：纤维的张力，热处理温度和介质的影响。 2.4 预氧化丝的碳化及石墨化

为避免高温下碳的氧化，碳化必须在惰性气氛的保护下进行。通常采用N2、Ar2或其他非氧化性介质如HCl等气体。

碳化是纤维仍会发生物理收缩和化学收缩，因此要对纤维施加张力进行拉伸以得到优质碳纤维。

碳化阶段以多段式的升温速率进行。低于600°C的温区，需低升温速率，升温速率需严格控制在小于5℃/min的范围内。因为这一温区包含大部分的化学反应及挥发性物质的逸出，提高升温速率的话，纤维表面会形成气孔或不规则的形态。600℃以上的温区，可以以较快的升温速率进行，此加热段仍有挥发性产物的逸出，同时形成分子链聚合物之间的交联。经600℃左右的低温碳化处理后，碳纤维的强度为1.5~2.0GPa，模量约120GPa。从900℃升温到1350℃，可制取强度为3~4GPa，模量约220GPa的碳纤维；升温到1500℃，可制取强度为4~5GPa,模量约240GPa的碳纤维；升温到1800℃，可制取强度为4GPa，模量约280GPa的碳纤维。

为了得到更高模量的碳纤维，将碳纤维放入2500~3000℃的高温下进行石墨化处理，可以得到碳含量在99%以上的碳纤维。由此可见，通过不同的热处理工艺，可以获得高强型、高模型或强度与模量相匹配的碳纤维。

3. 性能

碳纤维的化学性能与碳十分相似，在空气中当温度高于400℃时即发生明显的氧化，氧化产物CO2、CO在纤维表面三十，所以其在空气的中的使用温度不能太高，一般在360℃以下，但在隔绝氧的情况下，使用温度可大大提高到1500℃~2000℃，而且温度越高，纤维强度越大。碳纤维的径向强度不如轴向强度，因而碳纤维忌径向强力（即不能打结）。

碳纤维有通用型（GP）、高强型（HT）、高模型（HM）、高强高模(HP)等多种规格。 碳纤维有如下的优良特性：①比重轻、密度小；②超高强力与模量；③纤维细而柔软；④

耐磨、耐疲劳、减震吸能等物理机械性能优异；⑤耐酸、碱和盐腐蚀，可形成多孔、表面活性强、吸附性强的活性碳纤维；⑥热膨胀系数小，导热率高，不出现蓄能和过热，高温下尺寸稳定性好，不燃，热分解温度800℃，极限氧指数55；⑦导电性、X射线透过性及电磁波隐蔽性良好；⑧具有润滑性，不沾润在熔融金属中，可使其复合材料磨损率降低；⑨生物相容性好，生理适应性强。

4. 应用前景

碳纤维复合材料是为满足航空、航天等军事部门的需要而发展起来的新型材料，但因一般工业部门对产品的质量和可靠性要求不及上述部门严格，故开发应用的周期较短，推广应用得很快，被广泛应用于各种民用工业领域。碳纤维除用于高温绝热材料及除电刷子之外，一般并不单独使用，常加入到树脂（以环氧、酚醛为主）、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。 4.1 航空航天

碳纤维复合材料具有高比强度、高比刚读（比模量）、耐高温、可设计性强等一系列独特优点，是导弹、运载火箭、人造卫星、宇宙飞船、雷达等结构上不可或缺的战略材料。航空则以客机、直升机、军用机为主要应用对象。 4.2 文体和医疗用品

文体休闲用品是碳纤维复合材料应用的重要领域，高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿是三大支柱产品，其次是自行车、赛车、赛艇、弓箭、滑雪板、撑杆和乐器外壳等。医疗领域包括医学上用的移植物、缝合线、假肢、人造骨骼、韧带、关节以及X光透视机等。 4.3 一般工业

碳纤维复合材料在汽车工业用于汽车骨架、活塞、传动轴、刹车装置等；在能源领域应用于风力发电叶片、新型储能电池、压缩天然气贮罐、采油平台等；碳纤维因其质轻高强和极好的导电性及非磁性而在电子工业中用于制备电子仪器仪表、卫星天线、雷达等；碳纤维增强材料（CFRC）与钢筋混凝土相比，抗张强度与抗弯强度高5到10倍，弯曲韧度和伸长应变能力高20~30倍，重量却只有1/2，已被广泛应用于房屋、桥梁、隧道等基础设施的混凝土结构增强工程中。

5. 参考文献

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