介紹

由碳元素組成的一種特種纖維。具有耐高溫、抗摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨微晶結(jié)構(gòu)沿纖維軸擇優(yōu)取向，因此沿纖維軸方向有很高的強(qiáng)度和模量。碳纖維的密度小，因此比強(qiáng)度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強(qiáng)材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復(fù)合，制造先進(jìn)復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度及比模量在現(xiàn)有工程材料中是最高的。

簡(jiǎn)史

1879年愛迪生曾用纖維素纖維，如竹、亞麻或棉紗為原料，首先制得碳纖維并獲得專利，但當(dāng)時(shí)制得的纖維力學(xué)性能很低，工藝也不能工業(yè)化，未能獲得發(fā)展。

20世紀(jì)50年代初，由于火箭、航天及航空等尖端技術(shù)的發(fā)展，迫切需要比強(qiáng)度、比模量高和耐高溫的新型材料，另一方面，采用前驅(qū)纖維為原料經(jīng)熱處理的工藝可制得碳纖維連續(xù)長(zhǎng)絲，這一工藝奠定了碳纖維工業(yè)化的基礎(chǔ)。40多年來，碳纖維經(jīng)歷的重大技術(shù)進(jìn)展如下：

20世紀(jì)50年代初，美國(guó)Wright-Patterson空軍基地以黏膠纖維為原料，試制碳纖維成功，產(chǎn)品作火箭噴管和鼻錐的燒蝕材料，效果很好。1956年美國(guó)聯(lián)合碳化物公司試制高模量黏膠基碳纖維成功，商品名“Thornel—25”投放市場(chǎng)，同時(shí)開發(fā)了應(yīng)力石墨化的技術(shù)，提高碳纖維的強(qiáng)度與模量。

20世紀(jì)60年代初，日本進(jìn)藤昭男發(fā)明了以聚丙烯腈(PAN)纖維為原料制取碳纖維的方法，并取得了專利。1963年日本碳公司及東海電極公司用進(jìn)藤的專利開發(fā)聚丙烯腈基碳纖維。1965年日本碳公司工業(yè)化生產(chǎn)普通型聚丙烯腈基碳纖維成功。1964年英國(guó)皇家航空研究中心(RAE)通過在預(yù)氧化時(shí)加張力試制出高性能聚丙烯腈基碳纖維。由Courtaulds公司，Hercules公司和Rolls—Royce公司采用RAE的技術(shù)進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

1965年日本大谷杉郎首先制成了聚氯乙烯瀝青基碳纖維，并發(fā)表了先驅(qū)性的瀝青基碳纖維的研究報(bào)告。

1969年日本碳公司開發(fā)高性能聚丙烯腈基碳纖維獲得成功。1970年日本東麗(Toray Textile Inc.)公司依靠先進(jìn)的聚丙烯腈原絲技術(shù)，并與美國(guó)聯(lián)合碳化物公司交換碳化技術(shù)，開發(fā)高性能聚丙烯腈基碳纖維。1971年?yáng)|麗公司將高性能聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)品(Torayca)投放市場(chǎng)。隨后產(chǎn)品的性能、品種、產(chǎn)量不斷發(fā)展，至今仍處于世界領(lǐng)先地位。此后，日本東邦、旭化成、三菱人造絲及住友公司等相繼投入聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)行列。(見聚丙烯腈基碳纖維)

1970年日本吳羽化學(xué)工業(yè)公司采用大谷杉郎的專利，首先建成年產(chǎn)120t普通型(GPCF)瀝青基碳纖維的生產(chǎn)廠，1978年產(chǎn)量增到240t。該產(chǎn)品被用作水泥增強(qiáng)材料后，發(fā)現(xiàn)效果很好，1984年產(chǎn)量增至400t，1986年再次增加到900t。1976年美國(guó)聯(lián)合碳化物公司生產(chǎn)高性能中間相瀝青基碳纖維(HPCF)成功，年產(chǎn)量為113t，1982年增至230t，1985年增至311t。

1982年起，日本東麗、東邦、日本碳公司、美國(guó)Hercules、Celanese公司、英國(guó)Courtaulds公司等，先后生產(chǎn)出高強(qiáng)、超高強(qiáng)、高模量、超高模量、高強(qiáng)中模以及高強(qiáng)高模等類型高性能產(chǎn)品，碳纖維拉伸強(qiáng)度從3.5GPa提高到5.5GPa，小規(guī)模產(chǎn)品達(dá)7.0GPa。模量從230GPa提高到600 GPa，這是碳纖維工藝技術(shù)的重大突破，使應(yīng)用開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新的高水平階段。

1981年起瀝青科學(xué)取得重大進(jìn)展，開發(fā)出幾種調(diào)制中間相瀝青的新工藝，如日本九州工業(yè)試驗(yàn)所的預(yù)中間相法，美國(guó)EXXON公司的新中間相法，日本群馬大學(xué)開發(fā)的潛在中間相法，促進(jìn)了高性能瀝青基碳纖維的開發(fā)。隨后日本三菱化成化學(xué)公司、大阪煤氣公司、新日鐵公司陸續(xù)建成一批不同規(guī)格的高性能碳纖維生產(chǎn)廠。其特點(diǎn)是模量增高的同時(shí)也增高強(qiáng)度。20世紀(jì)80年代是瀝青基碳纖維的興旺發(fā)展時(shí)期。

黏膠基碳纖維自20世紀(jì)60年代中期以后沒有發(fā)展，僅生產(chǎn)少量產(chǎn)品供軍工及特種部門使用。

工藝

現(xiàn)代碳纖維工業(yè)化的路線是前驅(qū)纖維炭化工藝法，所用3種原料纖維的組成、碳含量等見表。

制造碳纖維用的原纖維名稱化學(xué)組分碳含量/%碳纖維收率/%黏膠纖維(C6H10O5)n4521～35聚丙烯腈纖維(C3H3N)n6840～55瀝青纖維C，H9580～90

采用這3種原纖維制造炭纖維的流程都包括：穩(wěn)定化處理(在200～400℃空氣，或用耐燃試劑等化學(xué)處理)，碳化(400～1400℃，氮?dú)?和石墨化(1800℃以上，氬氣氣氛下)。為了提高炭纖維與復(fù)合材料基質(zhì)的粘接性能需進(jìn)行表面處理、上漿、干燥等工序。

另一種制造碳纖維的方法是氣相生長(zhǎng)法。將甲烷與氫的混合氣體在催化劑的存在下，于1000℃高溫下反應(yīng)，可制得不連續(xù)的短切碳纖維，最大長(zhǎng)度可達(dá)50cm。其結(jié)構(gòu)不同于聚丙烯腈基或?yàn)r青基碳纖維，易石墨化，力學(xué)性能良好，導(dǎo)電性高，易形成層間化合物。(見氣相生長(zhǎng)炭纖維)

分類及命名

現(xiàn)在碳纖維的主要產(chǎn)品有聚丙烯腈基，瀝青基及黏膠基3大類，每一類產(chǎn)品又因原纖維種類、工藝及最終碳纖維性能等不同，又分成許多品種?！疤祭w維”一詞實(shí)際上是多種碳纖維的總稱，因此分類及命名就十分重要。

20世紀(jì)70年代末期，國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)曾對(duì)炭纖維的分類和命名作了規(guī)定。首先用PAN(聚丙烯腈)，MP(中間相瀝青)及VS(黏膠)表示碳纖維的類別，再以小寫英文字母表示熱處理溫度如lht(表示熱處理溫度，低于1400℃)，hht(熱處理溫度在2000℃以上)，然后再加上表示性能的符號(hào)(如HT表示高強(qiáng)、HM高模、SHT超高強(qiáng)、HTHS高強(qiáng)高應(yīng)變、IM中模及UHM超高模等)。同時(shí)指出，聚丙烯腈基，黏膠基及普通型瀝青基碳纖維均屬難石墨化的聚合物炭，而中間相瀝青基炭纖維及氣相生長(zhǎng)的碳纖維是易石墨化碳。

在第三次國(guó)際碳纖維會(huì)議上(1985年，倫敦)。曾建議按力學(xué)性能將碳纖維分成下列5級(jí)。

超高模量級(jí)(UHM):　 模量在395 GPa以上；

高模量級(jí)(HM):　模量在310～395 GPa間；

中模量級(jí)(IM):　模量在255～310 GPa間；

超高強(qiáng)度級(jí)(UHT):　 強(qiáng)度在3.5 GPa以上

模量在255 GPa以下；

高強(qiáng)度級(jí)(HT):　強(qiáng)度達(dá)3.5 GPa。

這兩種分級(jí)法都有不足之處?，F(xiàn)在高性能碳纖維產(chǎn)品分類由制造商自行標(biāo)明：原纖維種類、單絲孔數(shù)、直徑、排列方式(如平行、纏結(jié)、加捻等)，有無表面處理(及其種類)，有無上漿(及漿劑種類)等。一些重要的高性能商品名稱及性能，可見聚丙烯腈基炭纖維和瀝青基炭纖維。

發(fā)展展望

20世紀(jì)90年代初，高性能及超高性能炭纖維已問世，預(yù)料今后工作將致力于完善工藝、擴(kuò)大生產(chǎn)、降低成本和開發(fā)應(yīng)用。一些特種碳纖維，如抗氧化碳纖維(以提高復(fù)合材料的使用溫度)、低纖度碳纖維(做0.035mm超薄型預(yù)浸帶用)、高導(dǎo)熱低電阻碳纖維(以滿足屏蔽電磁、射頻干擾用，并可散發(fā)多余的熱能)、低熱膨脹系數(shù)碳纖維(供衛(wèi)星天線系統(tǒng)、反射鏡等用)，中空碳纖維(用于飛機(jī)制造工業(yè)，提高復(fù)合材料的沖擊韌性，核反應(yīng)堆中的高溫過濾介質(zhì)，分離生物分子血清和血漿用的介質(zhì))和活性碳纖維，隨著科學(xué)及工程的發(fā)展會(huì)有很大發(fā)展。氣相生長(zhǎng)碳纖維近期內(nèi)在穩(wěn)定工藝，連續(xù)化生產(chǎn)方面會(huì)有明顯進(jìn)展，工業(yè)化生產(chǎn)的日期預(yù)料不會(huì)太遠(yuǎn)。