碳纖維綜述性論文1

碳纖維綜述性論文

摘要：碳纖維是指由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，是纖維中含碳量在95%左右的碳纖維和含碳量在99%左右的石墨纖維。碳纖維是一種新型材料，本文主要論述了碳纖維的分類及性質、生產、製造、加工，並論述了碳纖維的改性以及用途和發展前景等。

關鍵詞：碳纖維、生產、加工、應用領域、發展趨勢；

前言：碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維「外柔內剛」，質量比金屬鋁輕，但強度卻高於鋼鐵，並且具有耐腐蝕、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徵特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。

一、碳纖維的分類

按製作原料分：(1) 纖維素基（人造絲基）(2) 聚丙烯氰基 (3)瀝青基（各向同性、各嚮導性中間相）。

按製造方法和條件分：(1) 碳纖維（炭化溫度在800~1600℃時得到的碳纖維）

(2) 石墨纖維（炭化溫度在2000~3000℃時得到的碳纖維）(3) 活性炭纖維 (4) 氣相生長纖維。

按性能分：(1) 一般型（GP，在通電部件、耐熱隔熱體、滑動部分、耐腐蝕材料等領域使用一般型。）(2) 高性能型（HP,其中高性能型分為高強型及高模型，通常大多數應用領域使用高性能型）在通電部件、耐熱隔熱體、滑動部分、耐腐蝕材料等領域使用一般型。

按狀態分：(1)長絲 (2)短纖維 (3)短切纖維。

二、碳纖維的性質

2.1碳纖維的物理性能

優點：1）密度小，質量輕，比強度高。碳纖維的密度為1.5~2g/cm3，相當於鋼密度的1/4，鋁合金密度的1/2。而其比強度比剛大16倍，比鋁合金大12倍。

2）強度高。其拉伸強度可達3000~4000MPa，彈性比鋼大4~5倍，比鋁大6~7倍。

3）彈性模量高。

4）具有各向異性，熱膨脹係數小，導熱率隨溫度的升高而下降，耐驟冷、急熱，

即使從幾千度的高溫突然降到常溫也不會炸裂。

5） 導電性好，25℃時高模量纖維為775μΩ/cm，高強度纖維為1500μΩ/cm。

6）耐高溫和耐低溫性好。碳纖維可在2000℃下使用，在3000℃非氧化氣氛下不融化、不軟化。在-180℃低溫下，鋼鐵變得比玻璃脆，而碳纖維依舊很柔軟，也不脆化。

缺點：耐衝擊性較差，容易損傷。

2.2碳纖維的化學性能

優點：1）耐酸性能好，對酸呈惰性，能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介質侵蝕。將碳纖維放在濃度為50%的鹽酸、硫酸、磷酸中，200天後其彈性模量、強度和直徑基本沒有變化；在50%濃度的硝酸中只是稍有膨脹，其耐腐蝕性能超過黃金和鉑金。

2）此外，還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和使中子減速等特性。 缺點：在強酸作用下發生氧化，與金屬複合時會發生金屬碳化、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。

三、碳纖維的製造及生產

碳纖維是不能用碳作原料製造的，工業上製造碳纖維是以有機纖維作原料，在沒有氧氣的情況下經過高溫處理轉化而形成的。通常用以下幾種方法製得。

（1）用纖維素製造碳纖維，一般是以人造絲做原料。

（2) 用聚丙烯氰纖維製造碳纖維，以純粹的丙烯氰聚合而成，再經過特殊工藝得到連續纖維作原料。

粘膠基碳纖維的生產：生產時，首先將纖維置於氮等惰性氣體中作低溫（400度以下）穩定化處理，進行預氧化，然後在400度以上實現芳構化過程，獲得石墨類結構，從而形成碳纖維和石墨纖維。這樣一個熱解碳化處理過程在五個溫度階段中實現。

第一階段：升溫至50~150度，排出吸附水。

第二階段：升溫至150~240度，纖維素環上的羥基將以水的形式脫除。

第三階段：升溫至240~400度，鍵斷裂，生成水，CO,CO2，達到400度時，整

個纖 維素破壞，生成C4殘鏈。

第四階段：升溫至400~700度，通過芳構生成碳的六元環，同時釋放氫和甲烷等，再升溫至900~1600度，即生成石墨類結構，形成碳纖維。

第五階段：溫度再升高，即形成沿纖維軸取向的亂層石墨成片，在溫度升高至

2200~2800度的石墨化溫度時，形成石墨纖維，利用塑性拉伸，可使纖維的拉伸強度和初始模量大幅度提高。

四、碳纖維的加工

4.1原絲的選擇條件：

強度高，雜質少，纖度均勻，細旦化等。加熱時不熔融，可牽伸，且CF產率高。

常用的CF原絲：聚丙烯腈纖維、粘膠纖維、瀝青纖維。

4.2碳纖維的加工方法

碳元素的各種同素異形體(金剛石、石墨、非晶態的各種過渡態碳)，根據形態的不同，在空氣中在350℃以上的高溫中就會不同程度的氧化；在隔絕空氣的惰性氣氛中(常壓下)，元素碳在高溫下不會熔融，但在3800K以上的高溫時不經液相，直接升華，所以不能熔紡。碳在各種溶劑中不溶解，所以不能溶液紡絲。碳纖維不能用熔融法或溶液法直接紡絲，只能以有機纖維為原料，採用間接方法來製造。

通常用有機物的炭化來製取碳纖維，即聚合預氧化、炭化原料單體原絲一預氧化絲一碳纖維。碳纖維的品質取決於原絲，其生產工藝決定了碳纖維的優劣。以聚丙烯腈(PAN) 纖維為原料，干噴濕紡和射頻法新工藝正逐步取代傳統的碳纖維製備方法(干法和濕法紡絲)。

4.2.1干噴濕紡法

干噴濕紡法即乾濕法，是指紡絲液經噴絲孔噴出後，先經過空氣層(亦叫干段)，再進入凝固浴進行雙擴散、相分離和形成絲條的方法。經過空氣層發生的物理變化有利於形成細特化、緻密化和均質化的絲條。紡出的纖維體密度較高，表面平滑無溝槽，且可實現速紡絲，用於生產高性能、 高質量的碳纖維原絲。干噴濕紡裝置常為立式噴絲機，從噴絲板噴出的紡絲液細流經空氣段(干段) 後進入凝固浴，完成干噴濕紡過程；再經導向輥、 離浴輥引入的絲條經後處理得到PAN纖維。

4.2.2射頻法

PAN原絲經過預氧化(200～350℃，射頻負壓軟等離子法)、碳化(800～ 1200℃，微波加熱法)到石墨化(2400~ 2600℃，射頻加熱法)，主要受到牽伸狀態下的溫度控制。在這一形成過程中達到纖維定型、碳元素富集，分子結構從聚丙烯腈高分子結構一亂層的石墨結構一三維有序的石墨結構。

國內有自主知識產權的「射頻法碳纖維石墨化生工藝」開闢了碳纖維生產的創新之路，它採用射頻負壓軟等離子法預氧化 PAN原絲，接著用微波加熱法碳化，最後用射頻加熱法石墨化形成小絲束碳纖維。

4.3 碳纖維的加工過程

碳纖維的生產製造過程基本相仿 ,主要有預氧化(即穩定化) 、低溫碳化、高溫碳化(又稱石墨化) 、表面處理、 上漿和乾燥等六大工藝步驟。目前生產的高強、高模CF主要是用PAN纖維為原料來製造的。以PAN為原絲製造CF為例，其基本工藝流程為：

五、碳纖維的改性

5.1 表面改性的原因 由於碳纖維表面惰性大、表面能低，缺乏有化學活性的官能團，反應活性低，與基體的粘結性差，界面中存在較多的缺陷，直接影響了複合材料的力學性能，限制了碳纖維高性能的發揮，因此可以通過表面改性提高其浸潤性和粘結性。

5.2 表面改性機理

（1）表面粗糙度(增加表面粗糙度有利於碳纖維與基體樹脂的機械嵌合)。

（2）石墨微晶大小(微晶越小，活性碳原子的數目就越多，越有利於纖維與樹脂的粘合)。

（3）碳纖維表面官能團種類與數量(官能團如-OH)，經表面處理後，碳纖維表面石墨微晶變細，不飽和碳原子數目增加，極性基團增多，這些都有利於複合材料性能改善。

5.3 碳纖維的氧化處理方法

（1）氣相氧化法

氣相氧化使用的氧化劑有空氣、氧氣、臭氧等含氧氣體。氧化處理後，碳纖維表面積增大，官能基團增多，可以提高複合材料界面的粘接強度和材料的力學性能。如把碳纖維在450℃下空氣中氧化10min，所製備的複合材料的剪切強度和拉伸強度都有提高；採用濃度0.5-15mg/L的臭氧連續導入碳纖維表面處理爐對碳纖維進行表面處理，經處理後碳纖維複合材料的層間剪切強度可達78.4-105.8MPa。

(2)液相氧化法

液相氧化處理對改善碳纖維/樹脂複合材料的層間剪切強度很有效。硝酸、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉、過氧化氫和過硫酸鉀等都可以用於對碳纖維進行表面處理。硝酸是液相氧化中研究較多的一種氧化劑，用硝酸氧化碳纖維，可使其表面產生羧基、羥基和酸性基團，利於提高纖維與基體材料之間的結合力。

(3）電化學氧化

電化學氧化處理利用了碳纖維的導電性，一般是將碳纖維作為陽極置於電解質溶液中。機理是通過電解所產生的活性氧來氧化碳纖維表面而引入極性基團，從而改善纖維的浸潤、粘敷特性及與基體的鍵合狀況，顯著增加碳纖維複合材料的力學性能。碳纖維表面氧化狀況可以通過改變反應溫度、電解質濃度、處理時間和電流密度等條件來進行控制。 六、碳纖維的作用及應用領域

6.1 碳纖維的作用

（1）有超強吸附能力，對有害化學物質和氣體能起到吸收、分解異味的作用，碳元素能自動調節濕度。

（2）碳元素還在常溫下可以釋放負離子和遠紅外線，並能有效減弱磁波輻射等功能。

（3）凈化床墊自身，吸盡人體汗液在床墊上殘留形成的潮濕，分解具有自潔功能創造一個潔凈的睡眠空間。

6.2 碳纖維的應用領域

碳纖維是發展國防軍工與國民經濟的重要戰略物資，屬於技術密集型的關鍵材料，隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學術研究，使用碳纖維製作發熱材料的技術和產品也逐漸普及。在當今世界高速工業化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化。中國已經有使用長纖作為高性能纖維的一種，在要求高溫，物理穩定性高的場合，

碳纖維複合材料具備不可替代的優勢。材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，正是由於兼具優異性能，碳纖維在國防和民用領域均有廣泛的應用前景。

6.2.1 複合材料

碳纖維在傳統使用中除用作絕熱保溫材料外。多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成複合材料。碳纖維已成為先進複合材料最重要的增強材料。由於碳纖維複合材料具有輕而強、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩定性好以及設計性好、可大面積整體成型等特點，已在航空航天、國防軍工和民用工業的各個領域得到廣泛應用。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是製造先進複合材料最重要的增強材料。

6.2.2 土木建築

土木建築領域：碳纖維也應用在工業與民用建築物、鐵路公路橋樑、隧道、煙囪、塔結構等的加固補強，在鐵路建築中，大型的頂部系統和隔音牆在未來會有很好的應用，這些也將是碳纖維很有前景的應用方面。具有密度小， 強度高， 耐久性好， 抗腐蝕能力強， 可耐酸、鹼等化學品腐蝕，柔韌性佳，應變能力強的特點。用碳纖維管製作的桁梁構架屋頂， 比鋼材輕50%左右，使大型結構物達到了實用化的水平， 而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外，碳纖維做補強混凝土結構時，不需要增加螺栓和鉚釘固定，對原混凝土結構擾動較小，施工工藝簡便。

6.2.3 航空航天

碳纖維是火箭、衛星、導彈、戰鬥機和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰略基礎材料。將碳纖維複合材料應用在戰略導彈的彈體和發動機殼體上，可大大減輕重量，提高導彈的射程和突擊能力，碳纖維比鋁輕但強度相似。由於使用碳纖維材料可以大幅降低結構重量，因而可顯著提高燃料效率。採用碳纖維與塑料製成的複合材料製造的飛機以及衛星、火箭等宇宙飛行器，噪音小，而且因質量小而動力消耗少，可節約大量燃料。

6.2.4 汽車材料

碳纖維材料也成為汽車製造商青睞的材料，在汽車內外裝飾中開始大量採用。碳纖維作為汽車材料，最大的優點是質量輕、強度大，重量僅相當於鋼材的20%到30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。所以汽車製造採用碳纖維材料可以使汽車的輕量化，取得突破性進展，並帶來節省能源的社會效益。雖然碳纖維的看起來像塑料，

但實際上這種材料抗衝擊性比鋼鐵強，特別是用碳纖維做成的方向盤，機械強度和抗沖性更高。

6.2.5 纖維加固

碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種。現有建築中有相當一部分由於當時設計荷載標準低造成歷史遺留問題，一些建築由於使用功能的改變，難以滿足當前規範使用的需求，亟需進行維修、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。碳纖維加固修補結構技術是繼加大混凝土截面、粘鋼之後的又一種新型的結構加固技術。由於中國具有世界上最為巨大的土木建築市場，碳纖維加固建築結構的應用將呈現不斷增長的的趨勢。

6.2.6 體育用品

碳纖維在運用在運動休閑領域中，像球杆、釣魚竿、網球拍羽毛球拍、自行車、滑雪杖、滑雪板、帆板桅杆、航海船體等運動用品都是碳纖維的主要用戶之一。 七、碳纖維的發展趨勢

7.1 國外碳纖維的發展趨勢

自從碳纖維工業化生產以來，世界各國都特別重視其應用開發。隨著價格不斷降低，其應用範圍從滿足性能要求高的航空、航天領域逐步向文體和民用領域推廣。目前，纖維的市場需求在北美、歐洲、亞洲基本上呈鼎足之勢。按應用領域劃分，世界聚丙烯腈基碳纖維主要用於宇航、文體休閑用品、其它工業等領域，其總體消費比例分別為25.2%，31.4%，43.4%，不同地區各有側重。

由於碳纖維複合材料具有高比強度、設計性好、結構尺寸穩定性好、抗疲勞斷裂性好和可大面積整體成型，以及特殊的電磁性能和吸波隱身的特點，目前已大量用於生產軍用、民用飛機以及戰略導彈和運載火箭上，需求量穩步增長。

由此可見，當前世界碳纖維有如下發展趨勢：產品性能趨向於高性能化；價格將大幅度降低；航天航空和文體用品領域用量穩定增加，民用工業用量增幅較大，已超過前兩者。特別是隨著大絲束碳纖維的大規模生產，其價格將不斷降低，民用工業用量將繼續保持大幅度增加的趨勢。

7.2 國內碳纖維的發展趨勢

儘管我國碳纖維生產發展緩慢，但消費量卻與日俱增，市場需求旺盛，主要集中在文體用品和航空航天方面，一般產業需求增長也比較迅速。近年來，隨著市場需求的增加，特別是國防、軍工、航天航空、體育用品方面的需求增加，每年主要

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