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碳纤维

2023-04-04 20:50自然百科人已围观

[拼音]：tanxianwei

[外文]：carbon fibre

含碳量高于90％的无机高分子纤维（见彩图），其中含碳量高于99％的称为石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐药品性好，纤维的密度低，X射线透过性好。缺点是耐冲击性较差，容易损伤；在热强酸作用下发生氧化，与金属复合时，会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。为此复合前须经表面处理，包括镀镍等。

沿革

碳纤维最早由美国联合碳化物公司和美国空军材料实验室于1959年投产，原丝采用粘胶纤维。1962年，日本碳公司进行了通用级聚丙烯腈基碳纤维的生产。1971年，日本东丽公司的高性能聚丙烯腈基碳纤维投产。沥青基碳纤维是日本吴羽化学工业公司于1973年投产的。联合碳化物公司生产了高模量沥青基碳纤维，1985年，美国、日本及西欧的聚丙烯腈基碳纤维年生产能力共约有7.25kt，沥青基碳纤维为1.28kt。

分类

碳纤维按原丝种类可分为聚丙烯腈基、沥青基、粘胶基及酚醛基等，按力学性能则可分为通用型(GP)与高性能型(HP)两类。通用型碳纤维强度 1000MPa、模量100GPa左右，高性能型碳纤维又可分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型(模量在 300GPa以上)。强度大于4000MPa者称为超高强型;模量大于450GPa者称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型（强度大于 49000MPa、延伸度大于2％）新品种。80年代，用量最大是强度3～35000MPa、模量150～300GPa的聚丙烯腈基碳纤维，约占碳纤维总量的80％、高性能碳纤维的99％，被称为碳纤维的标准品。

生产方法

（1）原丝制备，聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿法纺丝制得，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。制备高性能聚丙烯腈基碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝，制备原丝用的共聚单体为衣康酸等。制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相（苯可溶各向异性沥青）和潜在中间相（喹啉可溶各向异性沥青）等。作为烧蚀材料用的粘胶基碳纤维，其原丝要求不含碱金属离子。

（2）预氧化(聚丙烯腈纤维200～300℃)、不熔化（沥青200～400℃）或热处理(粘胶纤维240℃)，以得到耐热和不熔的纤维，酚醛基碳纤维无此工序。

（3）碳化，其温度为：聚丙烯腈纤维1000～1500℃，沥青1500～1700℃，粘胶纤维400～2000℃。

（4）石墨化，聚丙烯腈纤维为2500～3000℃，沥青2500～2800℃，粘胶纤维3000～3200℃。

（5）表面处理，进行气相或液相氧化等，赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲和性。

（6）上浆处理，防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不同的断面结构（见图）。

用途

碳纤维有长丝、短纤维、短切纤维等，可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料，如金属涂层纤维。长丝和纤维织物一般加工成预浸料。此外，还可不经碳化和石墨化生产聚丙烯腈预氧化丝和活性炭纤维。碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，常加入树脂（见彩图）、金属、陶瓷和混凝土等，构成相应的复合材料，用于制作飞机结构材料、火箭外壳、宇宙机械、高尔夫球棒、球拍、机动船、电波屏蔽除电材料、电视机天线、离心分离机的高速转子、工业机器人、汽车板簧及驱动轴、人工韧带等身体代用材料等。