工学碳纤维资料

工学碳纤维资料第1页/共40页一、碳纤维复合材料的发展1950年，美国制成了具有一定机械性能的碳纤维；（粘胶基）

1959年，美国实现了碳纤维工业化生产2.1961-1964，日本和英国均以聚丙烯腈为原料制成了碳纤维，1965年日本研制沥青基碳纤维3.1980年，国外已有16家公司生产碳纤维。第2页/共40页一、碳纤维复合材料的发展碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，它不属于有机纤维范畴，是一种非金属材料。从制作工艺考虑，与普通无机纤维有较大区别。

石墨纤维的结构类似石墨，具有金属光泽，导电性好，含杂质极少，其含碳量超过98％。碳纤维碳化温度2300℃的以下的碳纤维碳化温度2300℃以上的石墨纤维第3页/共40页美国：Thornel-25、40、50、100系列日本和英国：ModmorⅠ、ⅡM-40T-300(16.3cN/dtex1.4-1.5%)T-400(27.5cN/dtex1.7%)优点缺点重量轻、高强度、高模量耐几千度的高温、耐化学药品、减震耐冲击性差在空气中超过400℃会被氧化价格较高第4页/共40页年份198019851990199520002005用量/吨10003200600090001350018000世界碳纤维需求量（吨）不同地区碳纤维复合材料市场用量（吨）地区1987200020012002200320042005美国1220412049705195630072207720欧洲500340035404355508055805730日本860268021102415259527352795其它550150023402660293032603510合计117101296014625169051879519755增长率%8111316125第5页/共40页不同领域碳纤维复合材料市场用量（吨）领域1987200020012002200320042005航空航天1120383031602605290031603420体育用品1350371040403600370538554035一般产业660417057608420103001178012300碳纤维的价格标准PAN（T300，E=227GPa）价格（美圆/千克）1K3083K886K6612K55高强中模（E=275-345GPa）6K18712K99第6页/共40页

碳纤维是具有代表性的增强纤维。80年代中期出现了T800、T1000，拉伸强度分别达到5600Mpa和7000Mpa，延伸率从1%左右提高到2%左右，最高为2.4%，从而使碳纤维复合材料可以做主承力结构件。（帝人公司的沥青基碳纤维拉伸强度：6080Mpa）。第7页/共40页GraphiteYarnCarbonFiberYarn第8页/共40页碳纤维的性能分类拉伸强度cN/dtex弹性模量cN/dtex直径/微米密度g/cm3高强度CF高强度CF高模量CF耐火CF碳质CF石墨CF17.216.01.960.261.180.981126.41285.72089.92613.32764.7544.467511981.741.751.781.501.701.80第9页/共40页二碳纤维的分类

1.根据碳纤维性能分：

高性能碳纤维（HP）：中强、高强、超高强型；中模、高模、超高模型。低性能（通用型）碳纤维GP：耐火纤维、碳质纤维和石墨纤维。第10页/共40页碳纤维等级划分

碳纤维等级力学性能典型牌号拉伸强度/MPa拉伸弹性模量/GPa低弹性模量标准弹性模量中等弹性模量高弹性模量超高弹性模量LM型SM型IM型HM型UHM型<3000>2500>4500<200200-280280-350350-600>600T300，300CT800HB/T1000GBM40JB,M50JBUM63,UM68第11页/共40页二碳纤维的分类2.根据碳纤维原料类型分：丙烯腈基碳纤维：Polyacrylonitrile(PAN)-based占85%沥青基碳纤维:Pitch-based纤维素基碳纤维:Rayon-based其他有机纤维基碳纤维：天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族等合成纤维第12页/共40页二碳纤维的分类

3.根据碳纤维的功能分：受力结构用碳纤维耐燃碳纤维活性碳纤维（吸附活性）导电用碳纤维耐磨用碳纤维第13页/共40页几种碳纤维的性能分类拉伸强度(GPa)弹性模量(GPa)直径(μm)密度(g/cm2)

中模量碳纤维2.9419661.74高强度碳纤维2.7422571.75高模量碳纤维1.9637251.78耐火碳纤维0.26392111.50碳质碳纤维1.1847091.70石墨碳纤维0.989881.80第14页/共40页三、碳纤维的制造方法：气相法、有机纤维碳化法使用有机纤维作原料在无氧条件下经高温处理而得到，原料受以下条件限制：

聚合物不熔融；聚合物在热裂解中损失要小；在热裂解中产生的碳骨架，应尽可能容易再结合成石墨的结构单元。一般用：聚丙烯腈纤维、沥青、粘胶等第15页/共40页原丝制造聚丙烯腈纤维稳定化环化、脱氢、氧化碳化在惰气中加热一千至两千度表面处理表面形成氢氧基，或涂有机聚合物石墨化二千至三千度

以PAN（聚丙烯腈）作为原材料第16页/共40页三、碳纤维的制造

1.工艺过程：聚丙烯腈预氧化炭化处理碳纤维石墨化处理石墨纤维石油沥青蒸馏处理熔融纺丝预氧化碳化处理石墨化处理第17页/共40页工艺流程聚丙烯腈基和沥青基碳纤维的制作过程十分相似，前者经热处理氧化环化及碳化而成，后者则先熔融抽丝，并逐步碳化而成。第18页/共40页PAN分子结构加热时的变化（1）在200～300℃的温度下预氧化（安定化）；（2）高分子结构在800℃（碳化）下转变成连续碳六边形环状结构。在加热期间除了碳素外，大部分的其它元素皆被除去，且碳晶沿着纤维长度顺向排列。（3）超过2000°C(石墨化)高温处理后，碳纤维晶粒尺寸增加，且顺着纤维晶核增加。（4）纤维经表面处理，以提高纤维的集束性和附着性。（5）对于沥青基碳纤维，除初步制作过程与聚丙烯腈基碳纤维不同外，其余过程大致相同。纤维晶核的大小、结晶方向、孔洞和不纯度等都会影响纤维的性能。第19页/共40页第20页/共40页以PAN作为原材料生产高性能碳纤维必须要有高性能原丝

:

1、共聚单体必须有利于预氧化过程的环化，即环化速度要快，而放热要少；

2、要有利于氧化作用深入到PAN纤维内部；

3、由碳纤维的结构推测原丝中的缺陷要少。

第21页/共40页以PAN作为原材料PAN基原丝应该是：

1、具有超高分子量，以减少大分子末端造成缺陷；

2、单丝直径要小，既有利于氧分子深入，又有利于非碳元素的驱逐；

3、纤维必须有高的强度，即从结构上说：要有高的取向度，有利于碳纤维结晶向规整性方向靠拢；

4、要有合适的共聚单体，有利于环化的发生。

第22页/共40页三、碳纤维的制造

2.聚丙烯腈纤维加工碳纤维各阶段的状态安定化：200-300℃产生黑化纤维，称预备阶段，保证纤维在碳化的高温加热过程中性能稳定不被熔化，也称氧化阶段。白—黄——棕褐碳化：产生碳纤维，在惰性气体中加热，使纤维中的氢、氮及其它元素不断逸出。碳含量75-95%，1000-2000℃，0.5-2h。提高纤维强力和模量。黑色。碳化率40%-45%石墨化：产生石墨纤维，2000℃以上，几秒至几分。进一步提高纤维的模量。第23页/共40页预氧化处理过程中纤维性能的变化200℃氧化时间/h

拉伸强度GPa(cN/dtex)断裂延伸率/%24680.30（1.7）0.25（1.4）0.26（1.5）0.18（1.0）19.618.916.38.3第24页/共40页三、碳纤维的制造

3.沥青加工碳纤维各阶段的状态蒸馏处理：提高沥青的热稳定性和软化温度，先在氮气中后在真空中加热蒸馏。纺丝：熔融纺丝法氧化处理：安定化碳化处理：石墨化处理第25页/共40页纤维素基碳纤维的制作过程

粘胶纤维为原丝。粘胶纤维是一种再生纤维素纤维，它不经熔融便可分解成碳的残渣，是工业上最早被用作碳纤维原丝的纤维。再生纤维素纤维粘胶纤维稳定化<400℃碳化1000-1500℃石墨化2500-3000℃表面处理含碳量90％以上的碳纤维。含碳量100％的碳纤维。惰性气体惰性气体为使制得的碳纤维具有良好的力学性能以及有利于下一道工序的进行，通常在适当张力作用下对原丝实施短时间碳化处理。第26页/共40页四、碳纤维的表示方法

碳纤维纱常用K表示其粗细程度或线密度大小。1K表示纱体中含有1000根碳纤维单丝。不同的生产厂家和产品牌号，单丝的直径略有区别。

一般碳纤维纱常用的K值及相对应的tex值为

3K相当于219tex

6K相当于438tex12K相当于876tex第27页/共40页五、碳纤维的性能(1)碳纤维的化学性能与碳十分相似，在室温下呈惰性。除能被强氧化剂氧化外，一般的酸碱对碳纤维不起作用。(2)在空气中，当温度高于400℃时，碳纤维发生氧化反应，CO2和CO从纤维表面逸出。(3)在惰性气体中，碳纤维的耐热性十分突出，在1500℃以上的高温下其强度才开始降低。(4)碳纤维的应力-应变曲线为一直线，伸长较小，断裂过程在瞬间完成，不产生屈服。

(5)碳纤维轴向分子间的结合力比石墨大，因此其抗张强度和模量都明显高于石墨；碳纤维径向分子间的作用力较弱，抗压性能稍差，轴向抗压强度仅为抗张强度的10％-30％。(6)热膨胀系数的各向异性：平行于纤维方向是负值；垂直于纤维方向是正值。第28页/共40页常用碳纤维性能牌号拉伸强度弹性模量断裂伸长

/MPa/GPa/%H400HB中模量44102501.8HTA-W高强度37202351.6HTA高强度39202351.7ST-3高伸长44102351.9IM400中模量47102941.6IM500中模量51003001.7IM600中模量57902852.0HM-35高模量29403430.9HMS-35高模量38203431.1第29页/共40页牌号拉伸强度弹性模量断裂伸长

/MPa/GPa/%天泰碳纤维/山东38402351.6吉化碳纤维3200-3500210-2201.2-1.52800-3200210-2201.0-1.5吉炭3000-3200210-2151.0-1.2LT300/兰州炭纤38002201.534202101.534002001.5国产主要碳纤维性能第30页/共40页五、碳纤维的性能

物理性能：密度1.5-2.0热膨胀系数：各向异性的特点比热容：热导率随温度升高而下降比电阻：与纤维类型有关第31页/共40页第32页/共40页第33页/共40页五、碳纤维的性能第34页/共40页一些厂家生产的碳纤维的规格与性能生产厂商牌号原料丝束K值密度g/cm3强度MPa弹性模量GPa断裂伸长％美国AmocoThornel75T300P55P75P100粘胶聚丙烯腈沥青沥青沥青101,3,6,151,2,40.5,1,20.5,1,21.91.752.02.02.15252033101730207022405172283795177241.51.40.50.40.31美国HerculesAS-4IM-6IM-7UHMS聚丙烯腈聚丙烯腈聚丙烯腈聚丙烯腈6、126、12123、6、121.781741.771.8740004880530034472352962764411.61.731.810.81日本MitsubishiK135K139沥青沥青2、41、2、42.102.12255027505407400.5