碳纤维特性及其加工工艺产品介绍

1、v碳纤维碳纤维(CF)是一种以聚丙烯腈是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维等）、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于墨化工艺而制得的含碳量大于90的特种纤维。的特种纤维。v碳纤维具有十分优异的性能，碳纤维具有十分优异的性能，比铝还要轻，比钢还要硬，比比铝还要轻，比钢还要硬，比重是铁的重是铁的14，强度是铁的，强度是铁的10倍。倍。v缺点：缺点：耐冲击性较差耐冲击性较差，容易损伤，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，学腐蚀

2、现象。因此，碳纤维在使用碳纤维在使用前须进行表面处理前须进行表面处理。高强度高强度高模量高模量低密度低密度耐高温耐高温耐腐蚀耐腐蚀耐摩擦耐摩擦导电导电导热导热膨胀系数膨胀系数小小减震减震v碳纤维可分别用碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维、沥青纤维沥青纤维、粘胶丝或、粘胶丝或酚醛纤维酚醛纤维经经碳化制得；碳化制得；长丝长丝长丝短切纤维短切纤维 短纤维短纤维分类：分类：状态状态 通用型：通用型：碳纤维强度为碳纤维强度为1000兆帕（兆帕（MPa）、拉伸模量为）、拉伸模量为100GPa左右左右 高性能型高性能型力力学学性性能能 高强型：强度高强型：强度2000MPa 模量模量250GPa 高模型

3、：模量高模型：模量300GPa以上以上超高强型：强度大于超高强型：强度大于4000MPa 超高模型：模量大于超高模型：模量大于450GPa 高强高伸型碳纤维高强高伸型碳纤维聚丙烯腈碳纤维聚丙烯腈碳纤维 vPAN基基CF 生产工艺简单，产生产工艺简单，产品综合性能好，因而发展很品综合性能好，因而发展很快，产量占到快，产量占到90以上，成以上，成为最主要的品种。为最主要的品种。v比重轻比重轻 密度小密度小 超高强力与模超高强力与模量量 纤维细而柔软纤维细而柔软 耐磨耐磨 减振减振 热膨热膨 胀系数小胀系数小 导热率高导热率高 导导电性好电性好 X射线透过性及电磁射线透过性及电磁波遮蔽性良好波遮蔽性

4、良好 具有润滑性具有润滑性vPAN耐蚀性耐蚀性出类拔萃出类拔萃,在有机溶剂、在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀。耐酸、碱、盐酸、碱中不溶不胀。耐酸、碱、盐腐蚀可形成多孔，表面活性、吸附腐蚀可形成多孔，表面活性、吸附性强性强 v有学者在有学者在1981年将其浸泡在强碱年将其浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去溶液中，时间已过去20多年，多年，它至今仍保持纤维形态。它至今仍保持纤维形态。v生物相容性好生物相容性好,对人体组织没有毒害对人体组织没有毒害作用作用v缺点：缺点：PAN在空气中当温度在空气中当温度高于高于400C时即发生明显时即发生明显的变化，氧化产物的变化，氧化产物CO ，CO在纤维表面散失

5、，在纤维表面散失，所以所以其在空气中的使用温度不能其在空气中的使用温度不能太高，一般在太高，一般在360C以下。以下。vPAN的径向强度不如轴向强的径向强度不如轴向强度，因而度，因而CF忌径向强力，忌径向强力，即即不能打结。不能打结。v由由PAN原丝制备碳纤维的工艺流程如原丝制备碳纤维的工艺流程如下：下： PAN纤维纺丝纤维纺丝预氧化预氧化碳化碳化石墨石墨化化表面处理表面处理卷取卷取碳纤维碳纤维加工工艺加工工艺 PAN纤维的制备纤维的制备v纺丝方法纺丝方法:v干法干法v湿法湿法v浮悬法浮悬法v干喷湿纺干喷湿纺湿法纺丝的制备过程湿法纺丝的制备过程vPAN的聚合的聚合脱单脱泡脱单脱泡计量计量过滤过

6、滤喷丝喷丝逐级凝固牵伸逐级凝固牵伸水洗水洗沸水牵伸沸水牵伸上油上油致密致密化化蒸汽牵伸蒸汽牵伸干燥热定型干燥热定型卷绕等工序卷绕等工序预氧化预氧化v热氧稳定化通称预氧化热氧稳定化通称预氧化,其目的是使其目的是使热塑性热塑性PAN线性大分子链转化为非线性大分子链转化为非塑性的耐热梯形结构，从而使纤维在塑性的耐热梯形结构，从而使纤维在高温碳化下不熔不燃，继续保持纤维高温碳化下不熔不燃，继续保持纤维状态。状态。v预氧化处理可以提高炭纤维的收率和预氧化处理可以提高炭纤维的收率和力学性能，是制备炭纤维的一个重要力学性能，是制备炭纤维的一个重要步骤。步骤。 v梯形升温预氧化是当前工业化生产所梯形升温预氧化

7、是当前工业化生产所普遍采用的。普遍采用的。v过程：一般将纤维在空气下加热至约过程：一般将纤维在空气下加热至约270，保温，保温0.5h3h，聚丙烯腈纤维的，聚丙烯腈纤维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后形成黑色的预氧化纤维。这是聚丙烯腈形成黑色的预氧化纤维。这是聚丙烯腈线性高分子受热氧化后，外层和核芯区线性高分子受热氧化后，外层和核芯区形成耐热梯形高分子的结果。形成耐热梯形高分子的结果。 v预氧化后的纤维呈黑色，遇预氧化后的纤维呈黑色，遇火也不燃烧，也称为预氧纤火也不燃烧，也称为预氧纤维，可做防火织物、密封材维，可做防火织物、密封材料等，现已成为一个独立的料

8、等，现已成为一个独立的工业产品。工业产品。碳化碳化v将预氧化纤维在高纯氮将预氧化纤维在高纯氮(99.99以上以上)气氛气氛下进行高温处理（下进行高温处理（1600 ），一方面将非），一方面将非碳原子在炭化时以挥发物碳原子在炭化时以挥发物(如如HCN，NH3，CO2，CO，H2O，N2等等)方式除去，同时方式除去，同时使预氧纤维向炭纤维结构转变。使预氧纤维向炭纤维结构转变。v在在400600时，发生剧烈时，发生剧烈热解反应，部分挥发物冷凝热解反应，部分挥发物冷凝后形成后形成焦油焦油，如它附着在炭，如它附着在炭纤维表面会降低纤维的力学纤维表面会降低纤维的力学性能，因此要很好地把焦油性能，因此要很好

9、地把焦油在炭化过程中在炭化过程中排出排出。v随热处理温度继续升高随热处理温度继续升高(600-1000)，芳构的似石墨结构，芳构的似石墨结构按纵向及侧向继续长大按纵向及侧向继续长大(图图3)。v炭化温度升至炭化温度升至1400左右，左右，炭纤维的炭纤维的强度为最高强度为最高，炭化，炭化温度继续升高时，强度则下温度继续升高时，强度则下降，模量则随温度升高而继降，模量则随温度升高而继续增高。续增高。 石墨化石墨化v石墨化是将炭纤维在氩气保石墨化是将炭纤维在氩气保护下经护下经2000以上的高温热以上的高温热处理，使炭纤维处理，使炭纤维微晶结构微晶结构进进一步一步完善完善、长大，提高微晶、长大，提高微

10、晶层面沿纤维轴的择优取向，层面沿纤维轴的择优取向，使炭纤维的使炭纤维的杨氏模量杨氏模量进一步进一步提高。经高温处理的炭纤维提高。经高温处理的炭纤维属高模型炭纤维。聚丙烯腈属高模型炭纤维。聚丙烯腈基炭纤维属于基炭纤维属于难石墨化的聚难石墨化的聚合物炭合物炭。通常所谓。通常所谓“石墨化石墨化”一词只表示在一词只表示在2000以上的以上的高温热处理而已。高温热处理而已。表面处理表面处理v表面处理聚丙烯腈基炭纤维的主表面处理聚丙烯腈基炭纤维的主要用途是与树脂复合做结构材料要用途是与树脂复合做结构材料用，也加入金属或陶瓷、水泥等用，也加入金属或陶瓷、水泥等基体中，构成碳纤维增强复合材基体中，构成碳纤维增

11、强复合材料。料。v炭纤维表面经氧化处理后，表面炭纤维表面经氧化处理后，表面积增大，积增大，提高炭纤维与树脂的结提高炭纤维与树脂的结合牢度和层间剪切强度合牢度和层间剪切强度。vv气相氧化法气相氧化法v液相氧化法液相氧化法v湿法阳极氧化法湿法阳极氧化法v等离子体氧化法等离子体氧化法v表面涂层改性法表面涂层改性法 v复合表面处理法复合表面处理法 v在炭纤维表面涂一层指定的在炭纤维表面涂一层指定的浆料以便与基质浆料以便与基质(如树脂、炭如树脂、炭或金属等或金属等)更好地结合。更好地结合。空气氧化法空气氧化法 臭氧氧化法臭氧氧化法 应用应用澳大利亚碳纤维浴缸澳大利亚碳纤维浴缸 v随着人们对生活品质的注重

12、，在浴室中安放随着人们对生活品质的注重，在浴室中安放一款舒适而不失奢华的卫浴洁具浴缸也逐渐一款舒适而不失奢华的卫浴洁具浴缸也逐渐成为家居消费的趋势之一。日前，一家澳大成为家居消费的趋势之一。日前，一家澳大利亚的浴缸生产厂家推出了这款与众不同的利亚的浴缸生产厂家推出了这款与众不同的碳纤维浴缸，或许将成为人们的新选择。这碳纤维浴缸，或许将成为人们的新选择。这款浴缸使用款浴缸使用纯碳材料纯碳材料制成，碳原料经过复杂制成，碳原料经过复杂的过程被制成一根根直径为的过程被制成一根根直径为0.03至至0.05毫米毫米的的纤维纤维，最后被编织成浴缸。整只浴缸高，最后被编织成浴缸。整只浴缸高8英尺，可以装大约英尺，可以装大约90加仑的水，不仅结实耐加仑的水，不仅结实耐用而且极富艺术魅力。这款浴缸用而且极富艺术魅力。这款浴缸防电防电、防腐防腐而且不而且不受气温变化影响受气温变化影响，