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碳纤维

carbon fibre

含碳量在90％以上的高强度高模量纤维。含碳量在99％以上的称为石墨纤维。碳纤维具有元素碳的各种优良性能，如比重小、耐热性极好、热膨胀系数小、导热系数大、耐腐蚀性和导电性良好等。同时，它又具有纤维般的柔曲性，可进行编织加工和缠绕成型。碳纤维最优良的性能是比强度和比模量超过一般的增强纤维，它和树脂形成的复合材料的比强度和比模量比钢和铝合金还高 3倍左右。碳纤维复合材料应用在宇宙飞船、导弹和飞机上，可以显著减轻重量，提高有效载荷，改善性能，是航天工业的重要结构材料。由於成本降低，碳纤维已逐步扩大用在民用工业，如汽车工业和运动器材等方面。1981年世界碳纤维产量约为1500吨，日本的产量占一半以上。

碳纤维的特性□目前各国工业用的碳纤维原料有聚丙烯腈纤维、粘胶丝和沥青纤维三种。聚丙烯腈基碳纤维性能好，炭化得率较高(50～60％)，因此以聚丙烯腈制造的碳纤维约占总碳纤维产量的95％。以粘胶丝为原料制碳纤维炭化得率只有20～30％，这种碳纤维碱金属含量低，特别适宜作烧蚀材料。以沥青纤维为原料时，炭化得率高达80～90％，成本最低，是正在发展的品种。根据使用要求和热处理温度的不同，碳纤维分为耐燃纤维、碳纤维和石墨纤维。例如300～350℃热处理时得耐燃纤维；1000～1500℃热处理时得碳纤维，含碳量为90～95％；碳纤维经2000℃以上高温处理可以制得石墨纤维，含碳量高达99％以上。

最早的碳纤维是1880年由爱迪生研制成功的，用作电灯丝。后直到50年代初，随着空间技术的发展，需要有优良性能的结构材料，许多工业发达国家开始重视碳纤维的研究工作，到60年代获得迅速的发展。

碳纤维是将原料纤维在一定的张力、温度下,经过一定时间的预氧化、炭化和石墨化处理等过程制成的。以聚丙烯腈纤维为原料的碳纤维，在预氧化过程中，聚丙烯腈原丝中含氧化合物是炭化初期分子间交链反应的主因，氧是环化反应的催化剂，加热形成热稳定性的梯形结构。炭化和石墨化都是在氮气中进行的，炭化反应是使非碳元素借分子间交链反应挥发出来。在热处理过程中，大量气体挥发后形成更多的石墨层状结构，强度增大，模量增加，导电性也提高。纤维先由白色变为黄色，继而呈棕黄色，最后变为黑色。碳纤维中石墨层状结构如图1 碳纤维结构图　a石墨纤维层状结构　b碳纤维的乱层结构所示。为了改进复合材料中碳纤维和树脂的粘结，须进行表面处理，即在缓和条件下进行氧化或晶须化。

碳纤维中碳原子呈层状结构，它的制造过程就是从有机聚合物制成层状结构聚合物的过程。图2 炭化的三个过程中a是以纤维素纤维为原料,随着纤维素大分子的分解，大分子之间生成许多桥键，初步形成环状结构；b是以聚丙烯腈纤维为原料，首先大分子本身环化,经过梯形结构再缩合成层状结构；c是以沥青为原料时,利用沥青的多环芳香结构，先结合成高分子物，再生成层状结构聚合物的过程。

碳纤维丝束中单丝根数有1000、3000、6000、10000和10000以上的,现正向多孔无拈丝束方向发展。碳纤维的理论强度为2000公斤/毫米2,目前聚丙烯腈基碳纤维产品已达到350公斤/毫米2,最高可达500公斤/毫米2。低性能沥青基碳纤维已达到 170公斤/毫米2。近年又发展了所谓中间相沥青碳纤维，制造出高性能碳纤维。低性能沥青基碳纤维可代替石棉增强水泥。



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