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碳纖維
碳纖維
碳纖維（Carbon Fiber）是一種纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上，直徑一般為5～7微米，約為成年人頭發(fā)直徑的十分之一。具有高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。
碳纖維的起源可追溯到19世紀(jì)后期，美國人愛迪生（Edson）用碳絲制作燈泡的燈絲，從而發(fā)明了電燈，給人類社會(huì)帶來了光明。但是在20世紀(jì)初期，美國通用電器公司的庫里基（Coolidge）發(fā)明了用鎢絲取代碳絲作為燈絲，并一直沿用至今。這使得碳絲一度退出了歷史舞臺(tái)。直到20世紀(jì)50年代，在美蘇冷戰(zhàn)和爭(zhēng)霸的時(shí)代背景下，為了解決戰(zhàn)略武器的耐高溫和耐燒蝕材料，碳纖維再次進(jìn)入人們的關(guān)注視角。并自此以后，在材料科學(xué)領(lǐng)域掀起了碳纖維研究與開發(fā)熱潮，各種有機(jī)纖維被用來嘗試制備碳纖維。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了聚丙烯腈（PAN）、瀝青和粘膠三大原料體系。其中，PAN基碳纖維因其生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本較低和力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，已成為發(fā)展最快、產(chǎn)量最高、品種最多以及應(yīng)用最廣的一種碳纖維。
PAN纖維的商品名為腈綸，廣泛用于服飾領(lǐng)域，由于其性能很像羊毛，故又稱為人造羊毛。首先發(fā)明用PAN纖維制造碳纖維的是日本大阪工業(yè)研究所的進(jìn)藤昭男（Shindo）博士。他發(fā)現(xiàn)PAN纖維需經(jīng)氧化處理才可得到碳纖維。隨后，英國皇家空軍研究所的瓦特（Watt）和約翰遜（Johnson）等人發(fā)現(xiàn)在氧化過程中施加張力牽伸才能制得高性能碳纖維。1969年，日本東麗公司（Toray）研制出共聚PAN原絲，結(jié)合美國聯(lián)合碳化物公司（Union Carbide）的炭化技術(shù)，生產(chǎn)出高強(qiáng)度、高模量碳纖維。如今，東麗公司的PAN基碳纖維無論質(zhì)量還是產(chǎn)量都居世界前列，代表當(dāng)今世界最高水平。
碳纖維作為一種高性能纖維，具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度約為2～7GPa，拉伸模量約為200～700GPa。再加上它的重量很輕，密度約為1.5～2.0g/cm3，僅為鋼的四分之一，這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和比模量。除此之外，碳纖維還具有許多其它優(yōu)良性能，如耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)低、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。在沒有氧氣存在的情況下，碳纖維能夠耐受3000oC以上的高溫，這是其他任何纖維材料無法與之相比的。而且，碳纖維對(duì)一般的有機(jī)溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，完全不存在生銹的問題。
如此優(yōu)異的性能使碳纖維成為了材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的耀眼明星。但碳纖維很少單獨(dú)使用，一般只通過與樹脂、金屬或者陶瓷等基體材料進(jìn)行復(fù)合后再使用。碳纖維已成為先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料。由于碳纖維復(fù)合材料具有輕而強(qiáng)、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計(jì)性好、可大面積整體成型等特點(diǎn)，目前已在航空航天、國防軍工和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
碳纖維是火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰(zhàn)略基礎(chǔ)材料。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)略導(dǎo)彈的彈體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上，可大大減輕重量，提高導(dǎo)彈的射程和突擊能力，如美國80年代研制的“侏儒”洲際導(dǎo)彈（圖3）三級(jí)殼體全都采用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料在新一代戰(zhàn)斗機(jī)上也開始得到大量使用，如美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)F22（圖4）采用了約為24%的碳纖維復(fù)合材料，從而使該戰(zhàn)斗機(jī)具有超高音速巡航、超視距作戰(zhàn)、高機(jī)動(dòng)性和隱身等特性。碳纖維在艦艇上也有重要的應(yīng)用價(jià)值，可減輕艦艇的結(jié)構(gòu)重量，增加艦艇有效載荷，從而提高運(yùn)送作戰(zhàn)物資的能力，而且，碳纖維不存在腐蝕生銹的問題，可以延長使用壽命和節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。 碳纖維還是讓大型民用飛機(jī)、汽車、高速列車等現(xiàn)代交通工具實(shí)現(xiàn)“輕量化”的完美材料。新一代大型民用客機(jī)空客A380和波音787使用了約為50%的碳纖維復(fù)合材料。這使飛機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)重量減輕了20%，比同類飛機(jī)可節(jié)省20%的燃油，從而大幅降低了運(yùn)行成本、減少二氧化碳排放。
碳纖維在風(fēng)能、核能和太陽能等新能源領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率超過3MW，葉片長度超過40米時(shí)，傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)趨于極限，采用碳纖維復(fù)合材料制造葉片是必要的選擇。只有碳纖維才能既減輕葉片的重量，又能滿足強(qiáng)度和剛度的要求。
碳纖維在運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域中也一直獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，像高爾夫球桿、釣魚竿、網(wǎng)球拍羽毛球拍、自行車、滑雪杖、滑雪板、帆板桅桿、航海船體等高檔運(yùn)動(dòng)休閑用品都是碳纖維的主要用戶之一。近幾年來，碳纖維開始走進(jìn)普通民眾的生活，像音響、浴霸、取暖器等家用電器以及手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品也可以看到碳纖維的身影。
碳纖維的應(yīng)用產(chǎn)品不勝枚舉。隨著性能的進(jìn)一步提升和價(jià)格的大幅降低，碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域必將得到更寬廣的拓展?？梢灶A(yù)見將來碳纖維不但會(huì)在高、精、尖領(lǐng)域大顯身手，而且還會(huì)成為普通民眾日常生活中最親密、最信賴的朋友。
中文名：碳纖維
外文名：carbon fiber
特 點(diǎn)：兼具紡織纖維的柔軟可加工性
本 質(zhì)：微晶石墨材料
抗拉強(qiáng)度：在3500兆帕以上
抗拉彈性模量：230到430G帕
碳纖維
碳纖維是含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。[5] 碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A，各平行層面間的各個(gè)碳原子，排列不如石墨那樣規(guī)整，層與層之間借范德華力連接在一起。
通常也把碳纖維的結(jié)構(gòu)看成由兩維有序的結(jié)晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對(duì)碳纖維的性能影響較大。
當(dāng)孔隙率低于某個(gè)臨界值時(shí)，孔隙率對(duì)碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度無明顯的影響。有些研究指出，引起材料力學(xué)性能下降的臨界孔隙率是1%-4%?？紫扼w積含量在0-4%范圍內(nèi)時(shí)，孔隙體積含量每增加1%，層間剪切強(qiáng)度大約降低7%。通過對(duì)碳纖維環(huán)氧樹脂和碳纖維雙馬來亞胺樹脂層壓板的研究看出，當(dāng)孔隙率超過0.9%時(shí)，層間剪切強(qiáng)度開始下降。由試驗(yàn)得知，孔隙主要分布在纖維束之間和層間界面處。并且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，并顯著降低了層合板中層間界面的面積。當(dāng)材料受力時(shí)，易沿層間破壞，這也是層間剪切強(qiáng)度對(duì)孔隙相對(duì)敏感的原因。另外孔隙處是應(yīng)力集中區(qū)，承載能力弱，當(dāng)受力時(shí)，孔隙擴(kuò)大形成長裂紋，從而遭到破壞。
即使兩種具有相同孔隙率的層壓板（在同一養(yǎng)護(hù)周期運(yùn)用不同的預(yù)浸方法和制造方式），它們也表現(xiàn)處完全不同的力學(xué)行為。力學(xué)性能隨孔隙率的增加而下降的具體數(shù)值不同，表現(xiàn)為孔隙率對(duì)力學(xué)性能的影響離散性大且重復(fù)性差。由于包含大量可變因素，孔隙對(duì)復(fù)合材料層壓板力學(xué)性能的影響是個(gè)很復(fù)雜的問題。這些因素包含：孔隙的形狀、尺寸、位置；纖維、基體和界面的力學(xué)性能；靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的荷載。
相對(duì)于孔隙率和孔隙長寬比，孔隙尺寸、分布對(duì)力學(xué)性能的影響更大些。并發(fā)現(xiàn)大的孔隙（面積>0.03mm2）對(duì)力學(xué)性能有不利影響，這歸因于孔隙對(duì)層間富膠區(qū)的裂紋擴(kuò)展的產(chǎn)生影響。
2材料特性
物理性質(zhì)
碳纖維兼具碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，
是一種的力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。碳纖維拉伸強(qiáng)度約為2到7GPa，拉伸模量約為200到700GPa。密度約為1.5到2.0克每立方厘米，這除與原絲結(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要決定于炭化處理的溫度。一般經(jīng)過高溫3000℃石墨化處理，密度可達(dá)2.0克每立方厘。再加上它的重量很輕，它的比重比鋁還要輕，不到鋼的1/4，比強(qiáng)度是鐵的20倍。碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其它纖維不同，它有各向異性的特點(diǎn)。碳纖維的比熱容一般為7.12。熱導(dǎo)率隨溫度升高而下降平行于纖維方向是負(fù)值（0.72到0.90），而垂直于纖維方向是正值（32到22）。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關(guān)，在25℃時(shí)，高模量為775，高強(qiáng)度碳纖維為每厘米1500。這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和比模量。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有強(qiáng)度大、模量高、密度低、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，可以稱為新材料之王。
其外形有顯著的各向異性柔軟，可加工成各種織物，又由于比重小， 沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。[11] 碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500兆帕以上，是鋼的7到9倍，抗拉彈性模量為230到430G帕亦高于鋼；因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000兆帕以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59兆帕左右，其比模量也比鋼高。與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，楊氏模量（指表征在彈性限度內(nèi)物質(zhì)材料抗拉或抗壓的物理量）是玻璃纖維的3倍多；與凱芙拉纖維相比，不僅楊氏模量是其的2倍左右。碳纖維環(huán)氧樹脂層壓板的試驗(yàn)表明，隨著孔隙率的增加，強(qiáng)度和模量均下降?？紫堵蕦?duì)層間剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量的影響非常大；拉伸強(qiáng)度隨著孔隙率的增加下降的相對(duì)慢一些；拉伸模量受孔隙率影響較小。
碳纖維還具有極好的纖度（纖度的表示法之一是9000米長纖維的克數(shù)），一般僅約為19克，拉力高達(dá)300kg每微米。幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多一系列的優(yōu)異性能， 因此在旨度、剛度、重度、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。在不接觸空氣和氧化劑時(shí)，碳纖維能夠耐受3000度以上的高溫，具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高于1500℃時(shí)強(qiáng)度才開始下降，而且溫度越高，纖維強(qiáng)度越大。碳纖維的徑向強(qiáng)度不如軸向強(qiáng)度，因而碳纖維忌徑向強(qiáng)力（即不能打結(jié)）而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。
碳纖維的化學(xué)性質(zhì)與碳相識(shí)，它除能被強(qiáng)氧化劑氧化外，對(duì)一般堿性是惰性的。在空氣中溫度高于400℃時(shí)則出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO與CO2。[6-7] 碳纖維對(duì)一般的有機(jī)溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，不溶不脹，耐蝕性出類拔萃，完全不存在生銹的問題。 有學(xué)者在1981年將PAN基碳纖維浸泡在強(qiáng)堿氫氧化鈉溶液中，時(shí)間已過去30多年，它仍保持纖維形態(tài)。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強(qiáng)酸作用下發(fā)生氧化，碳纖維的電動(dòng)勢(shì)為正值，而鋁合金的電動(dòng)勢(shì)為負(fù)值。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與與鋁合金組合應(yīng)用時(shí)會(huì)發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此，碳纖維在使用前須進(jìn)行表面處理。碳纖維還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和減速中子等特性 。
3分類
碳纖維按原料來源可分為聚丙烯腈基碳纖維、
1K作的管
瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維；按性能可分為通用型、高強(qiáng)型、中模高強(qiáng)型、高模型和超高模型碳纖維；按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000兆帕、模量為100G帕左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度2000兆帕、模量250G帕）和高模型（模量300G帕以上）。強(qiáng)度大于4000兆帕的又稱為超高強(qiáng)型；模量大于450G帕的稱為超高模型。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)高伸型碳纖維，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。市場(chǎng)上90%以上碳纖維以PAN基碳纖維為主。由于碳纖維神秘的面紗尚未完全揭開，人們還不能直接用碳或石墨來制取，只能采用一些含碳的有機(jī)纖維（如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等）為原料，將有機(jī)纖維與塑料樹脂結(jié)合在一起炭化制得碳纖維。
PAN基碳纖維
PAN基碳纖維的生產(chǎn)工藝主要包括原絲生產(chǎn)和原絲碳化兩個(gè)過程:首先通過丙烯腈聚合和紡紗等一系列工藝加工成被稱為“母體“的聚丙烯腈纖維或原絲， 將這些原絲放入氧化爐中在200到300℃進(jìn)行氧化，還要在碳化爐中，在溫度為1000到2000℃下進(jìn)行碳化等工序制成碳纖維。
瀝青基碳纖維
美國發(fā)明了紡織瀝青基碳纖維用的含有基金屬中間相瀝青，原絲經(jīng)穩(wěn)定化和碳化后，碳纖維的拉伸強(qiáng)度為3.5G帕，模量為252G帕；法國研制了耐熱和高導(dǎo)電的中間相瀝青基碳纖維；波蘭開發(fā)了新型金屬涂覆碳纖維的方法，例如涂覆銅的瀝青基碳纖維是用混合法制成，先用銅鹽與各向同性煤瀝青混勻，進(jìn)行離心紡絲，在空氣中穩(wěn)定化并在高溫氫氣中處理，得到合金銅的碳纖維。 世界瀝青基碳纖維的生產(chǎn)能力較小，國內(nèi)瀝青基碳纖維的研究和開發(fā)較早，但在開發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用方面與國外相比有較大的差距。
碳纖維按產(chǎn)品規(guī)格的不同被劃分為宇航級(jí)和工業(yè)級(jí)兩類，亦稱為小絲束和大絲束。通常把48K以上碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括360K和480K等。宇航級(jí)碳纖維初期以3K為主，逐漸發(fā)展為12K和24K，主要應(yīng)用于國防軍工和高技術(shù)，以及體育休閑用品，像飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星和釣魚桿、球桿球拍等。工業(yè)級(jí)碳纖維應(yīng)用于不同民用工業(yè)，包括：紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機(jī)電、土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等。
4制備方式
工業(yè)化生產(chǎn)碳纖維按原料路線可分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維
、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，但主要生產(chǎn)前兩種碳纖維。由粘膠纖維制取高力學(xué)性能的碳纖維必須經(jīng)高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術(shù)難度大，設(shè)備復(fù)雜，原料豐富碳化收率高，但因原料調(diào)制復(fù)雜、產(chǎn)品性能較低，亦未得到大規(guī)模發(fā)展；由聚丙烯腈纖維原絲制得的高性能碳纖維，其生產(chǎn)工藝較其他方法簡單，產(chǎn)量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。
碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得。應(yīng)用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。碳纖維的制造包括纖維紡絲、熱穩(wěn)定化（預(yù)氧化）、碳化、石墨化等4個(gè)過程。其間伴隨的化學(xué)變化包括，脫氫、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等。
從粘膠纖維制取高力學(xué)性能的碳纖維必須經(jīng)高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術(shù)難度大、設(shè)備復(fù)雜，產(chǎn)品主要為耐燒蝕材料及隔熱材料所用；由瀝青制取碳纖維，原料來源豐富，碳化收率高，但因原料調(diào)制復(fù)雜、產(chǎn)品性能較低，亦未得到大規(guī)模發(fā)展；由聚丙烯腈纖維原絲可制得高性能的碳纖維，其生產(chǎn)工藝較其它方法簡單力學(xué)性能優(yōu)良，自20世紀(jì)60年代后在碳纖維工業(yè)發(fā)展良好。
聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)主要包括原絲生產(chǎn)和原絲碳化兩個(gè)過程。
原絲生產(chǎn)過程主要包括聚合、脫泡、計(jì)量、噴絲、牽引、水洗、上油、烘干收絲等工序。[
碳化過程主要包括放絲、預(yù)氧化、低溫碳化、高溫碳化、表面處理、上漿烘干、收絲卷繞等工序。
PAN基碳纖維的制備
聚丙烯腈碳纖維是以聚丙烯腈纖維為原料制成的碳纖維，主要作復(fù)合材料用增強(qiáng)體。無論均聚或共聚的聚丙烯腈纖維都能制備出碳纖維。為了制造出高性能碳纖維并提高生產(chǎn)率，工業(yè)上常采用共聚聚丙烯腈纖維為原料。對(duì)原料的要求是：雜質(zhì)、缺陷少；細(xì)度均勻，并越細(xì)越好；強(qiáng)度高，毛絲少；纖維中鏈狀分子沿纖維軸取向度越高越好，通常大于80%；熱轉(zhuǎn)化性能好。
生產(chǎn)中制取聚丙烯腈纖維的過程是：先由丙烯腈和其他少量第二、第三單體（丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等）共聚生成共聚聚丙烯腈樹脂（分子量高于 6到8萬），然后樹脂經(jīng)溶劑（硫氰酸鈉、二甲基亞礬、硝酸和氯化鋅等）溶解，形成粘度適宜的紡絲液，經(jīng)濕法、干法或干濕法進(jìn)行紡絲，再經(jīng)水洗、牽伸、干燥和熱定型即制成聚丙烯腈纖維。若將聚丙烯腈纖維直接加熱易熔化，不能保持其原來的纖維狀態(tài)。制備碳纖維時(shí)，首先要將聚丙烯腈纖維放在空氣中或其他氧化性氣氛中進(jìn)行低溫?zé)崽幚恚搭A(yù)氧化處理。預(yù)氧化處理是纖維碳化的預(yù)備階段。一般將纖維在空氣下加熱至約270℃，保溫0.5h到3h，聚丙烯腈纖維的顏色由白色逐漸變成黃色、棕色，最后形成黑色的預(yù)氧化纖維。是聚丙烯腈線性高分子受熱氧化后，發(fā)生氧化、熱解、交聯(lián)、環(huán)化等一系列化學(xué)反應(yīng)形成耐熱梯型高分子的結(jié)果。再將預(yù)氧化纖維在氮?dú)庵羞M(jìn)行高溫處理1600℃的碳化處理，則纖維進(jìn)一步產(chǎn)生交聯(lián)環(huán)化、芳構(gòu)化及縮聚等反應(yīng)，并脫除氫、氮、氧原子，最后形成二維碳環(huán)平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和層片粗糙平行的亂層石墨結(jié)構(gòu)的碳纖維。
由PAN原絲制備碳纖維的工藝流程如下：PAN原絲→預(yù)氧化→碳化→石墨化→表面處理→卷取→碳纖維。
第一、原絲制備，聚丙烯腈和粘膠原絲主要采用濕法紡絲制得，瀝青和酚醛原絲則采用熔體紡絲制得。制備高性能聚丙烯腈基碳纖維需采用高純度、高強(qiáng)度和質(zhì)量均勻的聚丙烯腈原絲，制備原絲用的共聚單體為衣康酸等。制備各向異性的高性能瀝青基碳纖維需先將瀝青預(yù)處理成中間相、預(yù)中間相（苯可溶各向異性瀝青）和潛在中間相（喹啉可溶各向異性瀝青）等。作為燒蝕材料用的粘膠基碳纖維，其原絲要求不含堿金屬離子。
第二、預(yù)氧化（聚丙烯腈纖維200到300℃）、不融化（瀝青200到400℃）或熱處理（粘膠纖維240℃），以得到耐熱和不熔的纖維，酚醛基碳纖維無此工序。
第三、碳化，其溫度為：聚丙烯腈纖維1000到1500℃，瀝青1500到1700℃，粘膠纖維400到2000℃。
第四、石墨化，聚丙烯腈纖維為2500到3000℃，瀝青2500到2800℃，粘膠纖維3000到3200℃。
第五、表面處理，進(jìn)行氣相或液相氧化等，賦予纖維化學(xué)活性，以增大對(duì)樹脂的親和性。
第六、上漿處理，防止纖維損傷，提高與樹脂母體的親和性。所得纖維具有各種不同的斷面結(jié)構(gòu)。
要想得到質(zhì)量好碳纖維，需要注意一下技術(shù)要點(diǎn)：
?。?font face="Arial">1）實(shí)現(xiàn)原絲高純化、高強(qiáng)化、致密化以及表面光潔無暇是制備高性能碳纖維的首要任務(wù)。碳纖維系統(tǒng)工程需從原絲的聚合單體開始。原絲質(zhì)量既決定了碳纖維的性質(zhì)，又制約其生產(chǎn)成本。優(yōu)質(zhì)PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件。
（2）雜質(zhì)缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強(qiáng)度的根本措施，也是科技工作者研究的熱門課題。在某種意義上說，提高強(qiáng)度的過程實(shí)質(zhì)上就是減少、減小缺陷的過程。
?。?font face="Arial">3）在預(yù)氧化過程中，保證均質(zhì)化的前提下，盡可能縮短預(yù)氧化時(shí)間。這是降低生產(chǎn)成本的方向性課題。
?。?font face="Arial">4）研究高溫技術(shù)和高溫設(shè)備以及相關(guān)的重要構(gòu)件。高溫炭化溫度一般在1300到1800℃，石墨化一般在2500到3000℃。在如此高的溫度下操作，既要連續(xù)運(yùn)行、又要提高設(shè)備的使用壽命，所以研究新一代高溫技術(shù)和高溫設(shè)備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護(hù)、無氧狀態(tài)下進(jìn)行的微波、等離子和感應(yīng)加熱等技術(shù)。
5發(fā)展前景
世界碳纖維產(chǎn)量達(dá)到每年4萬噸以上，全
碳纖維生產(chǎn)線
世界主要是日本美國德國以及韓國等少數(shù)國家掌握了碳纖維生產(chǎn)的核心技術(shù)，并且有規(guī)?；笊a(chǎn)。
當(dāng)前，全球碳纖維核心技術(shù)被牢牢掌控在少數(shù)發(fā)達(dá)國家手中。一方面，以美日為首的發(fā)達(dá)國家始終保持著對(duì)中國碳纖維行業(yè)嚴(yán)格的技術(shù)封鎖；另一方面，國外碳纖維行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)開始進(jìn)入中國市場(chǎng)，中國本土碳纖維企業(yè)的壓力大增。雖然中國加大了對(duì)碳纖維行業(yè)的引導(dǎo)和扶持力度，但在較大的技術(shù)差距下，國產(chǎn)碳纖維的突圍之路仍然坎坷。
中國對(duì)碳纖維的研究開始于20世紀(jì)60年代，80年代開始研究高強(qiáng)型碳纖維。多年來進(jìn)展緩慢，但也取得了一定成績。進(jìn)入21世紀(jì)以來發(fā)展較快，安徽率先引進(jìn)了500噸每年原絲、200噸每年PAN基碳纖維，使中國碳纖維工業(yè)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化。隨后一些地方相繼加入碳纖維生產(chǎn)行列。
從2000年開始中國碳纖維向技術(shù)多元化發(fā)展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術(shù)，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術(shù)獲得成功。利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國產(chǎn)T700碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。隨著中國對(duì)碳纖維的需求量日益增長，碳纖維已被列為國家化纖行業(yè)重點(diǎn)扶持。2005年全球碳纖維市場(chǎng)僅為9億美元，而2013年達(dá)到100億美元，預(yù)計(jì)到2022年有望達(dá)到400億美元，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也將進(jìn)入全新的時(shí)代。中國碳纖維產(chǎn)業(yè)化采取自主開發(fā)和引進(jìn)相結(jié)合的道路，到“十一五“末期基本實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于日本T300的國產(chǎn)碳纖維規(guī)模生產(chǎn)線，并且有一些企業(yè)已形成了T700以上水平的百噸生產(chǎn)線。
2011年中國碳纖維市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到6811噸，然而，受供應(yīng)不足的影響，國內(nèi)碳纖維市場(chǎng)發(fā)展相對(duì)較為緩慢，預(yù)計(jì)未來幾年，隨著供應(yīng)量的提升，中國碳纖維行業(yè)的需求量也將保持著較快速度的增長。
技術(shù)的落后直接導(dǎo)致中國碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量與進(jìn)口產(chǎn)品之間的明顯差距，也極大地限制了國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。有數(shù)據(jù)顯示，中國碳纖維產(chǎn)品在應(yīng)用上集中于低端領(lǐng)域，在碳纖維質(zhì)量要求較高的航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用比例僅為3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒達(dá)到國際上碳纖維行業(yè)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用占比的平均水平;而在質(zhì)量要求相對(duì)較低的運(yùn)動(dòng)休閑用品領(lǐng)域，碳纖維的應(yīng)用比例卻高達(dá)80%左右，四倍于國際上碳纖維在運(yùn)動(dòng)休閑用品領(lǐng)域應(yīng)用的平均水平。但國產(chǎn)碳纖維落后的技術(shù)卻制約著中國碳纖維行業(yè)健康穩(wěn)健發(fā)展。
6應(yīng)用領(lǐng)域
碳纖維是發(fā)展國防軍工與國民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資，
碳纖維單絲拉伸曲線
屬于技術(shù)密集型的關(guān)鍵材料，隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸普及。在當(dāng)今世界高速工業(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化。中國已經(jīng)有使用長纖作為高性能纖維的一種，在要求高溫，物理穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料具備不可替代的優(yōu)勢(shì)。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，正是由于兼具優(yōu)異性能，碳纖維在國防和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。
碳纖維碳材料已在軍事及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。從航天、航空、 汽車、 電子、 機(jī)械、化工、輕紡等民用工業(yè)到運(yùn)動(dòng)器材和休閑用品等。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可以應(yīng)用于飛機(jī)制造等軍工領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電葉片等工業(yè)領(lǐng)域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動(dòng)軸等。球棒等體育領(lǐng)域。碳纖維是典型的高科技領(lǐng)域中的新型工業(yè)材料。
碳纖維在傳統(tǒng)使用中除用作絕熱保溫材料外。 多作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維已成為先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料。由于碳纖維復(fù)合材料具有輕而強(qiáng)、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計(jì)性好、可大面積整體成型等特點(diǎn)，已在航空航天、國防軍工和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是制造先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料。
土木建筑領(lǐng)域：碳纖維也應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑物、鐵路公路橋梁、隧道、煙囪、塔結(jié)構(gòu)等的加固補(bǔ)強(qiáng)， 在鐵路建筑中，大型的頂部系統(tǒng)和隔音墻在未來會(huì)有很好的應(yīng)用，這些也將是碳纖維很有前景的應(yīng)用方面。具有密度小， 強(qiáng)度高， 耐久性好， 抗腐蝕能力強(qiáng)， 可耐酸、堿等化學(xué)品腐蝕， 柔韌性佳， 應(yīng)變能力強(qiáng)的特點(diǎn)。用碳纖維管制作的桁梁構(gòu)架屋頂， 比鋼材輕50%左右， 使大型結(jié)構(gòu)物達(dá)到了實(shí)用化的水平， 而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外， 碳纖維做補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)， 不需要增加螺栓和鉚釘固定， 對(duì)原混凝土結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小， 施工工藝簡便。
碳纖維是火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰(zhàn)略基礎(chǔ)材料。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)略導(dǎo)彈的彈體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上，可大大減輕重量，提高導(dǎo)彈的射程和突擊能力，如美國80年代研制的洲際導(dǎo)彈三級(jí)殼體全都采用碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料在新一代戰(zhàn)斗機(jī)上也開始得到大量使用，如美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)F22采用了約為24%的碳纖維復(fù)合材料，從而使該戰(zhàn)斗機(jī)具有超高音速巡航、超視距作戰(zhàn)、高機(jī)動(dòng)性和隱身等特性。美國波音推出新一代高速寬體客機(jī)的音速巡洋艦，約60%的結(jié)構(gòu)部件都將采用強(qiáng)化碳纖維塑料復(fù)合材料制成，其中包括機(jī)翼。中國自行研制的碳纖維復(fù)合材料剎車預(yù)制件性能達(dá)到國際水平。采用這一預(yù)制件技術(shù)所制備的的國產(chǎn)碳和碳剎車盤已批量裝備于國防重點(diǎn)型號(hào)的軍用飛機(jī)，并在B757型民航飛機(jī)上使用，在其它機(jī)型上的使用也在實(shí)驗(yàn)考核中，并將向坦克、高速列車、高級(jí)轎車、賽車等推廣使用。碳纖維比鋁輕但強(qiáng)度相似。碳纖維在艦艇上也有重要的應(yīng)用價(jià)值，可減輕艦艇的結(jié)構(gòu)重量，增加艦艇有效載荷，從而提高運(yùn)送作戰(zhàn)物資的能力，碳纖維不存在腐蝕生銹的問題。由于使用碳纖維材料可以大幅降低結(jié)構(gòu)重量，因而可顯著提高燃料效率。采用碳纖維與塑料制成的復(fù)合材料制造的飛機(jī)以及衛(wèi)星、火箭等宇宙飛行器，噪音小，而且因質(zhì)量小而動(dòng)力消耗少，可節(jié)約大量燃料。據(jù)報(bào)道，航天飛行器的質(zhì)量每減少1kg，就可使運(yùn)載火箭減輕500千克。
碳纖維還是讓大型民用飛機(jī)、汽車、高速列車等現(xiàn)代交通工具實(shí)現(xiàn)“輕量化“的完美材料。航空應(yīng)用中對(duì)碳纖維的需求正在不斷增多，新一代大型民用客機(jī)空客A380和波音787使用了約為50%的碳纖維復(fù)合材料。波音777飛機(jī)利用碳纖維做結(jié)構(gòu)材料，包括水平和垂直的橫尾翼和橫梁稱為重要結(jié)構(gòu)材料，所以對(duì)其質(zhì)量要求極其苛刻。波音787的機(jī)身也采用碳纖維，這使飛機(jī)飛得更快，油耗更低，同時(shí)能增加客艙濕度，讓乘客更舒適?？湛鸵苍谒麄兊娘w機(jī)上使用了大量的碳纖維，碳纖維將被大量應(yīng)用在新型客機(jī)A380上。這使飛機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)重量減輕了20%，比同類飛機(jī)可節(jié)省20%的燃油，從而大幅降低了運(yùn)行成本、減少二氧化碳排放。
碳纖維材料也成為汽車制造商青睞的材料，
在汽車內(nèi)外裝飾中開始大量采用。碳纖維作為汽車材料，最大的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，重量僅相當(dāng)于鋼材的20%到30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。所以汽車制造采用碳纖維材料可以使汽車的輕量化，取得突破性進(jìn)展，并帶來節(jié)省能源的社會(huì)效益。業(yè)界認(rèn)為，碳纖維在汽車制造領(lǐng)域的使用量會(huì)變大。
中科院研發(fā)的一輛碳纖維小汽車主要在外殼上：在普通材質(zhì)的汽車引擎蓋上，榔頭用力敲擊，漆蓋上很有可能會(huì)有凹陷，而這輛車的車殼卻非常堅(jiān)固，用力敲擊車蓋后會(huì)迅猛反彈，表面絲毫未損。研究人員表示采用碳纖維復(fù)合材料做的汽車，比起普通用鋼材制造的汽車的最大特點(diǎn)是輕和快。碳纖維汽車拋棄了傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)，大量采用碳纖維材料制成，比普通鋼材的汽車重量能減少60%。在同樣用油情況下，這輛車每小時(shí)可以多開50公里。
碳纖維雖然輕，但有較好的安全性，雖然碳纖維的看起來像塑料，但實(shí)際上這種材料抗沖擊性比鋼鐵強(qiáng)，特別是用碳纖維做成的方向盤，機(jī)械強(qiáng)度和抗沖性更高。在復(fù)合材料的配合下，碳纖維汽車成了家用車中的裝甲車。這種碳纖維材料已經(jīng)在高速列車的裙擺上應(yīng)用[。
碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種。碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于80年代美、日等發(fā)達(dá)國家。中國的這項(xiàng)技術(shù)起步很晚，但隨著中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和交通事業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)有建筑中有相當(dāng)一部分由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低造成歷史遺留問題，一些建筑由于使用功能的改變，難以滿足當(dāng)前規(guī)范使用的需求，亟需進(jìn)行維修、加固。常用的加固方法有很多，如：加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、碳纖維加固法等。碳纖維加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是繼加大混凝土截面、粘鋼之后的又一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。
中國從1997年開始從國外引進(jìn)碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究。成為了研究和工程應(yīng)用的熱點(diǎn)。國內(nèi)已有數(shù)十個(gè)高校和科研院所開展了此項(xiàng)研究工作，并取得了一批接近國際先進(jìn)水平的研究成果。由于中國具有世界上最為巨大的土木建筑市場(chǎng)，碳纖維加固建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將呈現(xiàn)不斷增長的的趨勢(shì)。
碳纖維在運(yùn)用在運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域中，像球桿、釣魚竿、網(wǎng)球拍羽毛球拍、自行車、滑雪杖、滑雪板、帆板桅桿、航海船體等運(yùn)動(dòng)用品都是碳纖維的主要用戶之一。碳纖維運(yùn)用在日常用品，像音響、浴霸、取暖器等家用電器以及手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品也可以看到碳纖維的身影。
體育應(yīng)用中的三項(xiàng)重要應(yīng)用為球棒和球拍框架。據(jù)估計(jì)每年的球棒的產(chǎn)量為3400萬副。全世界40%的碳纖維球棒都是由碳纖維制成的。全世界碳纖維釣魚桿的產(chǎn)量約為每年2000萬副。網(wǎng)球拍框架的市場(chǎng)容量約為每年600萬副，其它的體育項(xiàng)目應(yīng)用還包括冰球棍、滑雪杖等。碳纖維還應(yīng)用在劃船、賽艇等其它海洋運(yùn)動(dòng)中。
7主要產(chǎn)品
碳纖維除了用于航空航天領(lǐng)域、國防軍事領(lǐng)域和體育用品外，汽車構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電葉片、建筑加固材料、增強(qiáng)塑料、鉆井平臺(tái)等碳纖維新市場(chǎng)也被正在運(yùn)用。此外還運(yùn)用在壓力容器、醫(yī)療器械、海洋開發(fā)、新能源等領(lǐng)域。碳纖維的其它應(yīng)用包括機(jī)器部件、家用電器及與半導(dǎo)體相關(guān)的設(shè)備的復(fù)合材料的生產(chǎn)，可以用來起到加強(qiáng)、防靜電和電磁波防護(hù)的作用。另外，在X射線儀器上碳纖維的應(yīng)用可以減少人體在X 射線下的暴露。
壓力容器
壓力容器采用碳纖維復(fù)合材料制作，主要用在汽車的壓縮天然氣罐上，而且還用在救火隊(duì)員的固定式呼吸器上。CNG罐源于美國和歐洲國家，日本和其他的亞洲國家也對(duì)這項(xiàng)應(yīng)用表現(xiàn)出了極大的興趣。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片
世界上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)額定功率越來越大，與其相適應(yīng)的風(fēng)機(jī)葉片尺寸也越來越大。為了減少葉片的變形，在主乘力件如軸承和葉片的某些部位采用碳纖維來補(bǔ)充其剛度。中國‘十五’期間的風(fēng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)到1。5G瓦，因而碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上的應(yīng)用前景看好。
碳纖維在風(fēng)能、核能和太陽能等新能源領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率超過3MW，葉片長度超過40米時(shí)，傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)趨于極限，采用碳纖維復(fù)合材料制造葉片是必要的選擇。只有碳纖維才能既減輕葉片的重量，又能滿足強(qiáng)度和剛度的要求。
碳纖維布
碳纖維布又稱碳素纖維布，碳纖布，碳布，碳纖維織物，碳纖維帶，碳纖維片材（預(yù)浸布）等 。 碳纖維布是一種單向碳纖維產(chǎn)品，通常采用12K碳纖維絲織造。重量最輕的是1K碳布，中國碳纖維車架單車、三角架基本使用3K碳布。1K碳纖維管材由于從碳絲的等級(jí)，樹脂的成分，碳布的密度，成型的壓力溫度等等工藝都非常嚴(yán)格，1K碳布價(jià)格是3K碳布的3倍?？商峁﹥煞N厚度：0.111mm（200g）和0.167mm（300g）。碳纖維布強(qiáng)度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固構(gòu)件自重及截面尺寸。碳纖維廣泛適用于建筑物橋梁隧道等各種結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)形狀的加固修復(fù)和抗震加固及節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)加固。
碳纖維復(fù)合材料抽油桿
有關(guān)數(shù)據(jù)表明，至2008年有8%到10%更新或新增的抽油桿用碳纖維復(fù)合材料抽油桿取代，共需碳纖維320到420t。預(yù)測(cè)至2010年如果按15%的取代量計(jì)算，則碳纖維消耗量可達(dá)624噸。
1994年至2002年左右，碳纖維制作國家電網(wǎng)電纜的使用案例多處。同時(shí)，碳纖維發(fā)熱產(chǎn)品，碳纖維采暖產(chǎn)品，碳纖維遠(yuǎn)紅外也越來越多的被重視。
