碳纤维的特性
碳纤维的品种与规格 碳纤维与玻璃纤维一样，有长纤维、短纤维，有布、毡，有 扭绳或编制绳、三向或多向立体织物等不同形式的产品供应。 如下将列出主要碳纤维的品种与和性能。
碳纤维的特性 主要碳纤维的品种和性能
碳纤维的结构
2.碳纤维的结构:
碳纤维具有较高的强度和模量是与其结构分不开的，碳纤维的结构取决于原 丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向， 与石墨晶体类似。石墨晶体是三维有序的各项异性材料，沿层平面方向具有非常 高的模量，试想发展层平面与纤维轴向一致的纤维材料，必将会具有高模量由此 导致了碳纤维问世。
黏胶基碳纤维（rayon-based）:黏胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维 经过脱水、热解然后碳化而得来的。 气相生长碳纤维（vapor phase-based）:气相生长碳纤维是以苯、甲烷等做原料 经过渡金属铁、钴、镍等它们的合金、化合物为催化剂，氢气作载气在还原性气 氛中制成。
碳纤维的分类
CF的结构 石墨微晶 石墨原纤 （条带结构）
石墨片层
（乱层结构）
碳纤维
碳纤维的结构
用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真 实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属 于乱层石墨结构,如右图所示： 构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由 层晶格组成层平面。在层平面内的碳原子以强的共 价键相连,其键长为0.1421nm;在层平面之间则由弱 的范德华力相连,层间距在0.3360～ 0.3440nm之间; 层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边 缘参差不齐。处于石墨层片边缘的碳原子和层面内 部结构完整的基础碳原子不同。层面内部的基础碳 原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表 面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性 比较高。因此,碳纤维的表面活性与处于边缘位置的 碳原子数目有关。
1976 1979 1980 1981 1984 1986 1989 1992 · · ·
二.碳纤维的特性、结构及分类
1.碳纤维主要具备的特性: 碳纤维的性质主要包括力学性质（强度、模量、伸长），热 学性质（热容、热导率、热膨胀），化学性质（氧化性、腐 蚀性），电、磁学等性质。就综合性质而言，碳纤维是一种 优异增强材料，下面主要是其所具备的一些特性 ①密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5～ 2g/cm 3,相当于钢密 度的1/4、铝合金密度的1/2； ②强度、弹性模量高,其强度比钢大4～ 5倍,弹性回复为100%; ③热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使 从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;
聚丙烯腈基碳纤维（PAN-based）:聚丙烯腈基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、 碳化几个阶段形成。具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电 性能等特点,并具有很强的抗压抗弯性能,一直在增强复合材料中保持着主导地位。
碳纤维 的分类
沥青基碳纤维（pitch-based）:沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料,经 沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成。生产原料成本低于聚丙烯 腈基碳纤维。
性能 拉伸模量/GPa 拉伸强度/GPa 含碳量/% 碳纤维 UHM >400 >1.7 99.8 HM 300~400 >1.7 99.0 UHT 200~350 >2.76 96.5 HT 200~250 2.0~2.75 94.5 IM 180~200 2.7~3.0 99.0
碳纤维的分类
(2)根据先驱体纤维原料的类型可分为：
碳纤维结构示意图
碳纤维的分类
3.碳纤维的分类: (1)根据碳纤维的力学性能可分为：通用级碳纤维（GP）和高性能碳纤 维（HP）,其中高性能碳纤维又包括中强型（MT）、高强型(HT)、超高 强型（UHT）、中模型（IM）、高模型（HM）和超高模型（UHM）等 几种,其高性能碳纤维（HP）的性能如下表
碳纤维的分类
iii.碳纤维增强金属基复合材料 碳纤维增强金属基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Metal,CFRM) 是以碳纤维为增强纤维,金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复 合材料与金属材料相比,具有高的比强度和比模量，碳纤维-铝合金复 合材料在400 ℃高温下，强度和弹性模量基本无变化;与碳纤维增强树 脂基复合材料相比，具有高的耐热性；与陶瓷相比,具有高的韧性和耐 冲击性能。金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等。目前,在 制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉 积、液钠法等,但由于纤维增强金属基复合材料所用长纤维的价格昂贵, 制备工艺复杂,限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。
碳纤维增强复合材料分类
iv.碳纤维增强树脂基复合材料 碳纤维增强树脂基复合材料((Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)是目 前最先进的复合材料之一。它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性 能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其他纤维增强复合 材料所无法比拟的。所用的基体树脂主要分为两大类,一类是热固性树脂,另 一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预集体或带有活性基团 高分子量聚合物组成。 CFRP在航空航天领域有着大量的应用,人们甚至将CFRP在航天结构上应用 的规模视为衡量航天结构先进性的重要标志之一。随着碳纤维成本的降低 以及复合材料制造技术的发展,土木建筑和海底油田将是碳纤维复合材料应 用领域的新增长点。以碳纤维复合材料代替传统金属材料制作建筑物的横 梁、抗震结构,补强、修补或加固桥梁,制造油田勘探和开采器材以及平台、 油、气储罐等将会有很大的发展。
碳纤维的分类
ii.C/C复合材料 C/C复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称,也是一种高级复合材 料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复 合材料主要由各类碳组成,即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人 工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能,除具 备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外,还具有较高 的断裂韧性和假塑性。特别是在高温环境中,强度高、不熔不燃,仅是均 匀烧蚀。这是任何金属材料无法与其比拟的。因此广泛应用于导弹弹 头,固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领域。
碳纤维及其复合材料概况
碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作 用。因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速，目前日本 是碳纤维的最大制造国（特别在PAN原丝的d制造技术和产量 方面），美国是碳纤维的最大应用国。这次将就碳纤维的特性、 分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍。
碳纤维微观结构图
碳纤维及其复合材料概况 续表：
年份 1972 1973 1974 1975 主 要 事 项 美国Hercules公司开始生产PAN基碳纤维 日本用碳纤维制造钓竿，美国用碳纤维制造高尔夫球棒 日本东邦人造丝公司开始生产PAN基碳纤维（0.5t/month） 日本东丽公司扩产5t/month 碳纤维钓竿、高尔夫球棒迅速发展 日本东丽公司扩产13t/month 碳纤维网球拍商品化 美国UCC公司公布利用中间相沥青制造高模量沥青基碳纤维“Thornel-P” 美国UCC公司的高性能沥青基碳纤维商品化 日本东邦人造丝公司与美国赛兰尼斯进行技术合作 日本住友化学与美国赫格里斯（Hercules）成立联合公司 日本碳公司与旭化成工业公司成立旭日碳纤维公司 美国波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维 日本三菱人造丝公司与美国Hitco公司进行技术合作 日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T800 日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T1000 日本东丽公司研制成功高强中强碳纤维M60 日本东丽公司研制成功高强中强碳纤维M70J、杨氏模量高达690GPa · · ·
三.碳纤维的应用与发展
1.发展简述 对于近年碳纤维及其复合材料的发展来看，在航空航天领域 PAN-CF已成为重要的主导材料，汽车和风电叶片则是未来 CFRP 的重要市场。日本在CFRP研发方面，比美欧晚10～20 年，然而 近年来发展迅速，而且在碳纤维增强热固性树脂和热塑性树脂的成 型工艺方面都有所创新，值得我国借鉴。碳纤维复合材料是一种高 性能、多功能的先进复合材料。目前,国内外学者对于碳纤维复合 材料的研究热点主要集中于复合材料的制备与工艺优化以及复合材 料及结构的损伤破坏和承载能力分析等领域。相信随着我国在碳纤 维生产以及复合材料制备工艺领域的进一步发展,碳纤维及其复合 材料在建筑、交通、化工等民用领域的应用前景将十分乐观,而其 在航空航天及军事领域的应用也会更加广泛。
碳纤维及其复合材料概况
2.碳纤维的发展简史：
年份 1860 1878 1879 1882 1911 1950 1959 1962 1963 1964 1965 1970 1971 主 要 事 项 英国瑟夫•斯旺（J.Swan）制作碳丝灯泡 英国瑟夫•斯旺（J.Swan）以棉纱试制碳丝 爱迪生以油烟与焦油、棉纱和竹丝试制碳丝（持续照明45h） 碳丝电灯实用化 钨丝电灯实用化（1910年发明） 美国Wright-Patterson空军基地开始研制黏胶基碳纤维 美国UCC公司生产低模量黏胶基碳纤维“Thornel-25” 日本大阪工业试验所的进藤昭男发明了PAN基碳纤维 日本碳公司开始生产低模量PAN基碳纤维（0.5t/month） 英国皇家航空研究所（RAE）的瓦特和约翰逊成功地打通了制造高性能PAN基碳纤维 （在热处理时施加张力）的技术途径 英国Courtaulds, Morganite和Roll-Roys公司利用RAE技术生产PAN基碳纤维 日本群马大学的大谷杉郎发明了沥青基碳纤维 美国UCC公司开始生产高模量沥青基碳纤维（石墨化过程中牵伸） 日本吴羽化学公司生产沥青基碳纤维（10t/month） 日本东丽公司与美国UCC公司进行技术合作 日本东丽公司工业规模化生产PAN基碳纤维（1t/month），碳纤维牌号为T300，石墨纤 维为M40
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