碳纖維簡介？
碳纖維具有許多優良性能，碳纖維的軸向強度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導電性介於非金屬和金屬之間，熱膨脹系數小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性好等。
碳纖維與傳統的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱夫拉纖維相比，楊氏模量是其2倍左右，在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。
(1) 組成結構
碳纖維是含碳量高於90%的無機高分子纖維。其中含碳量高於99%的稱石墨纖維。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。[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碳原子，排列不如石墨那樣規整，層與層之間借範德華力連接在壹起。[6]
通常也把碳纖維的結構看成由兩維有序的結晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。[7]
當孔隙率低於某個臨界值時，孔隙率對碳纖維復合材料的層間剪切強度、彎曲強度和拉伸強度無明顯的影響。有些研究指出，引起材料力學性能下降的臨界孔隙率是1%-4%。孔隙體積含量在0-4%範圍內時，孔隙體積含量每增加1%，層間剪切強度大約降低7%。通過對碳纖維環氧樹脂和碳纖維雙馬來亞胺樹脂層壓板的研究看出，當孔隙率超過0.9%時，層間剪切強度開始下降。由試驗得知，孔隙主要分布在纖維束之間和層間界面處。並且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，並顯著降低了層合板中層間界面的面積。當材料受力時，易沿層間破壞，這也是層間剪切強度對孔隙相對敏感的原因。另外孔隙處是應力集中區，承載能力弱，當受力時，孔隙擴大形成長裂紋，從而遭到破壞。[8]
即使兩種具有相同孔隙率的層壓板（在同壹養護周期運用不同的預浸方法和制造方式），它們也表現處完全不同的力學行為。力學性能隨孔隙率的增加而下降的具體數值不同，表現為孔隙率對力學性能的影響離散性大且重復性差。由於包含大量可變因素，孔隙對復合材料層壓板力學性能的影響是個很復雜的問題。這些因素包含：孔隙的形狀、尺寸、位置；纖維、基體和界面的力學性能；靜態或者動態的荷載。[8]
相對於孔隙率和孔隙長寬比，孔隙尺寸、分布對力學性能的影響更大些。並發現大的孔隙（面積>0.03mm2）對力學性能有不利影響，這歸因於孔隙對層間富膠區的裂紋擴展的產生影響。[8]
(2)
物理性質
碳纖維兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，
碳纖維
是壹種的力學性能優異的新材料。碳纖維拉伸強度約為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，這除與原絲結構有關外，主要決定於炭化處理的溫度。壹般經過高溫3000℃石墨化處理，密度可達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，比強度是鐵的20倍。碳纖維的熱膨脹系數與其它纖維不同，它有各向異性的特點。碳纖維的比熱容壹般為7.12。熱導率隨溫度升高而下降平行於纖維方向是負值（0.72到0.90），而垂直於纖維方向是正值（32到22）。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關，在25℃時，高模量為775，高強度碳纖維為每厘米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度大、模量高、密度低、線膨脹系數小等特點，可以稱為新材料之王。[3] [9-11]
碳纖維除了具有壹般碳素材料的特性外，
碳纖維編織布[12]
其外形有顯著的各向異性柔軟，可加工成各種織物，又由於比重小， 沿纖維軸方向表現出很高的強度，碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。[11] 碳纖維樹脂復合材料抗拉強度壹般都在3500兆帕以上，是鋼的7到9倍，抗拉彈性模量為230到430G帕亦高於鋼；因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000兆帕以上，而A3鋼的比強度僅為59兆帕左右，其比模量也比鋼高。與傳統的玻璃纖維相比，楊氏模量（指表征在彈性限度內物質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。碳纖維環氧樹脂層壓板的試驗表明，隨著孔隙率的增加，強度和模量均下降。孔隙率對層間剪切強度、彎曲強度、彎曲模量的影響非常大；拉伸強度隨著孔隙率的增加下降的相對慢壹些；拉伸模量受孔隙率影響較小。[8]
碳纖維還具有極好的纖度（纖度的表示法之壹是9000米長纖維的克數），壹般僅約為19克，拉力高達300kg每微米。幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那麽多壹系列的優異性能， 因此在旨度、剛度、重度、疲勞特性等有嚴格要求的領域。在不接觸空氣和氧化劑時，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，碳纖維要溫度高於1500℃時強度才開始下降，而且溫度越高，纖維強度越大。碳纖維的徑向強度不如軸向強度，因而碳纖維忌徑向強力（即不能打結）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。[3] [9] [13]
化學性質
碳纖維的化學性質與碳相識，它除能被強氧化劑氧化外，對壹般堿性是惰性的。在空氣中溫度高於400℃時則出現明顯的氧化，生成CO與CO2。[6-7] 碳纖維對壹般的有機溶劑、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。[11] 有學者在1981年將PAN基碳纖維浸泡在強堿氫氧化鈉溶液中，時間已過去30多年，它仍保持纖維形態。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發生氧化，碳纖維的電動勢為正值，而鋁合金的電動勢為負值。當碳纖維復合材料與與鋁合金組合應用時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。因此，碳纖維在使用前須進行表面處理。[4] 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] [9] [13] 。
(3)分類
碳纖維按原料來源可分為聚丙烯腈基碳纖維、
1K碳纖制作的管
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、高強型、中模高強型、高模型和超高模型碳纖維；按狀態分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強度為1000兆帕、模量為100G帕左右。高性能型碳纖維又分為高強型（強度2000兆帕、模量250G帕）和高模型（模量300G帕以上）。強度大於4000兆帕的又稱為超高強型；模量大於450G帕的稱為超高模型。隨著航天和航空工業的發展，還出現了高強高伸型碳纖維，其延伸率大於2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。[14] 市場上90%以上碳纖維以PAN基碳纖維為主。由於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，只能采用壹些含碳的有機纖維（如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等）為原料，將有機纖維與塑料樹脂結合在壹起炭化制得碳纖維。[4] [15-17]
PAN基碳纖維
PAN基碳纖維的生產工藝主要包括原絲生產和原絲碳化兩個過程:首先通過丙烯腈聚合和紡紗等壹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℃進行氧化，還要在碳化爐中，在溫度為1000到2000℃下進行碳化等工序制成碳纖維。[18] [19]
瀝青基碳纖維
美國發明了紡織瀝青基碳纖維用的含有基金屬中間相瀝青，原絲經穩定化和碳化後，碳纖維的拉伸強度為3.5G帕，模量為252G帕；法國研制了耐熱和高導電的中間相瀝青基碳纖維；波蘭開發了新型金屬塗覆碳纖維的方法，例如塗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，進行離心紡絲，在空氣中穩定化並在高溫氫氣中處理，得到合金銅的碳纖維。 世界瀝青基碳纖維的生產能力較小，國內瀝青基碳纖維的研究和開發較早，但在開發、生產及應用方面與國外相比有較大的差距。[19-20]
碳纖維按產品規格的不同被劃分為宇航級和工業級兩類，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。宇航級碳纖維初期以3K為主，逐漸發展為12K和24K，主要應用於國防軍工和高技術，以及體育休閑用品，像飛機、導彈、火箭、衛星和釣魚桿、球桿球拍
(4) 制備方式
工業化生產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，但主要生產前兩種碳纖維。由粘膠纖維制取高力學性能的碳纖維必須經高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術難度大，設備復雜，原料豐富碳化收率高，但因原料調制復雜、產品性能較低，亦未得到大規模發展；由聚丙烯腈纖維原絲制得的高性能碳纖維，其生產工藝較其他方法簡單，產量約占全球碳纖維總產量的90%以上。[18] [22-23]
工藝流程
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碳化制得。應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、熱穩定化（預氧化）、碳化、石墨化等4個過程。其間伴隨的化學變化包括，脫氫、環化、預氧化、氧化及脫氧等。[22-23]
從粘膠纖維制取高力學性能的碳纖維必須經高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術難度大、設備復雜，產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，但因原料調制復雜、產品性能較低，亦未得到大規模發展；由聚丙烯腈纖維原絲可制得高性能的碳纖維，其生產工藝較其它方法簡單力學性能優良，自20世紀60年代後在碳纖維工業發展良好。[19]
聚丙烯腈基碳纖維的生產主要包括原絲生產和原絲碳化兩個過程。[19] [21]
原絲生產過程主要包括聚合、脫泡、計量、噴絲、牽引、水洗、上油、烘幹收絲等工序。[19] [21]
碳化過程主要包括放絲、預氧化、低溫碳化、高溫碳化、表面處理、上漿烘幹、收絲卷繞等工序。[19] [21]
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，主要作復合材料用增強體。無論均聚或***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並提高生產率，工業上常采用***聚聚丙烯腈纖維為原料。對原料的要求是：雜質、缺陷少；細度均勻，並越細越好；強度高，毛絲少；纖維中鏈狀分子沿纖維軸取向度越高越好，通常大於80%；熱轉化性能好。[6] [24]
生產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）***聚生成***聚聚丙烯腈樹脂（分子量高於 6到8萬），然後樹脂經溶劑（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，經濕法、幹法或幹濕法進行紡絲，再經水洗、牽伸、幹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。制備碳纖維時，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行低溫熱處理，即預氧化處理。預氧化處理是纖維碳化的預備階段。壹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，最後形成黑色的預氧化纖維。是聚丙烯腈線性高分子受熱氧化後，發生氧化、熱解、交聯、環化等壹系列化學反應形成耐熱梯型高分子的結果。再將預氧化纖維在氮氣中進行高溫處理1600℃的碳化處理，則纖維進壹步產生交聯環化、芳構化及縮聚等反應，並脫除氫、氮、氧原子，最後形成二維碳環平面網狀結構和層片粗糙平行的亂層石墨結構的碳纖維。[7] [24]
由PAN原絲制備碳纖維的工藝流程如下：PAN原絲→預氧化→碳化→石墨化→表面處理→卷取→碳纖維。[7] [24]
第壹、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、高強度和質量均勻的聚丙烯腈原絲，制備原絲用的***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處理成中間相、預中間相（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。[22] [25]
第二、預氧化（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。[22] [25]
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℃。[22] [25]
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℃。[22] [25]
第五、表面處理，進行氣相或液相氧化等，賦予纖維化學活性，以增大對樹脂的親和性。[22] [25]
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構。[22] [25]
技術要點
要想得到質量好碳纖維，需要註意壹下技術要點：
（1）實現原絲高純化、高強化、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。碳纖維系統工程需從原絲的聚合單體開始。原絲質量既決定了碳纖維的性質，又制約其生產成本。優質PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件。[22]
（2）雜質缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強度的根本措施，也是科技工作者研究的熱門課題。在某種意義上說，提高強度的過程實質上就是減少、減小缺陷的過程。[22]
（3）在預氧化過程中，保證均質化的前提下，盡可能縮短預氧化時間。這是降低生產成本的方向性課題。
（4）研究高溫技術和高溫設備以及相關的重要構件。高溫炭化溫度壹般在1300到1800℃，石墨化壹般在2500到3000℃。在如此高的溫度下操作，既要連續運行、又要提高設備的使用壽命，所以研究新壹代高溫技術和高溫設備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護、無氧狀態下進行的微波、等離子和感應加熱等技術。[22]