碳纤维综述性论文摘要：碳纤维是指由有机纤维经碳化及墨化处理而得到的微晶墨材料，是纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的墨纤维。

碳纤维是一种新型材料，本文主要论述了碳纤维的分类及性质、生产、制造、加工，并论述了碳纤维的改性以及用途和发展前景等。

关键词：碳纤维、生产、加工、应用领域、发展趋势；前言：碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。

它是由片状墨微晶等有机纤维沿纤维轴向向堆砌而成，经碳化及墨化处理而得到的微晶墨材料。

碳纤维“外柔刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用面都是重要材料。

它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

一、碳纤维的分类按制作原料分：(1) 纤维素基（人造丝基）(2) 聚丙烯氰基(3)沥青基（各向同性、各向导性中间相）。

按制造法和条件分：(1) 碳纤维（炭化温度在800~1600℃时得到的碳纤维）(2) 墨纤维（炭化温度在2000~3000℃时得到的碳纤维）(3) 活性炭纤维(4) 气相生长纤维。

按性能分：(1) 一般型（GP，在通电部件、耐热隔热体、滑动部分、耐腐蚀材料等领域使用一般型。

）(2) 高性能型（HP,其中高性能型分为高强型及高模型，通常大多数应用领域使用高性能型）在通电部件、耐热隔热体、滑动部分、耐腐蚀材料等领域使用一般型。

按状态分：(1)长丝(2)短纤维(3)短切纤维。

二、碳纤维的性质2.1碳纤维的物理性能优点：1）密度小，质量轻，比强度高。

碳纤维的密度为1.5~2g/cm3，相当于钢密度的1/4，铝合金密度的1/2。

而其比强度比刚大16倍，比铝合金大12倍。

2）强度高。

其拉伸强度可达3000~4000MPa，弹性比钢大4~5倍，比铝大6~7倍。

3）弹性模量高。

4）具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度的升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂。

5）导电性好，25℃时高模量纤维为775μΩ/cm，高强度纤维为1500μΩ/cm。

6）耐高温和耐低温性好。

碳纤维可在2000℃下使用，在3000℃非氧化气氛下不融化、不软化。

在-℃低温下，钢铁变得比玻璃脆，而碳纤维依旧很柔软，也不脆化。

缺点：耐冲击性较差，容易损伤。

2.2碳纤维的化学性能优点：1）耐酸性能好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。

将碳纤维放在浓度为50%的盐酸、硫酸、磷酸中，200天后其弹性模量、强度和直径基本没有变化；在50%浓度的硝酸中只是稍有膨胀，其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。

2）此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。

缺点：在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。

因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。

三、碳纤维的制造及生产碳纤维是不能用碳作原料制造的，工业上制造碳纤维是以有机纤维作原料，在没有氧气的情况下经过高温处理转化而形成的。

通常用以下几种法制得。

（1）用纤维素制造碳纤维，一般是以人造丝做原料。

（2) 用聚丙烯氰纤维制造碳纤维，以纯粹的丙烯氰聚合而成，再经过特殊工艺得到连续纤维作原料。

粘胶基碳纤维的生产：生产时，首先将纤维置于氮等惰性气体中作低温（400度以下）稳定化处理，进行预氧化，然后在400度以上实现芳构化过程，获得墨类结构，从而形成碳纤维和墨纤维。

这样一个热解碳化处理过程在五个温度阶段中实现。

第一阶段：升温至50~150度，排出吸附水。

第二阶段：升温至150~240度，纤维素环上的羟基将以水的形式脱除。

第三阶段：升温至240~400度，键断裂，生成水，CO,CO2，达到400度时，整个纤维素破坏，生成C4残链。

第四阶段：升温至400~700度，通过芳构生成碳的六元环，同时释放氢和甲烷等，再升温至900~1600度，即生成墨类结构，形成碳纤维。

第五阶段：温度再升高，即形成沿纤维轴取向的乱层墨成片，在温度升高至2200~2800度的墨化温度时，形成墨纤维，利用塑性拉伸，可使纤维的拉伸强度和初始模量大幅度提高。

四、碳纤维的加工4.1原丝的选择条件：强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。

加热时不熔融，可牵伸，且CF 产率高。

常用的CF原丝：聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维。

4.2碳纤维的加工法碳元素的各种同素异形体(金刚、墨、非晶态的各种过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在350℃以上的高温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在3800K以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。

碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。

碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，采用间接法来制造。

通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体原丝一预氧化丝一碳纤维。

碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。

以聚丙烯腈(PAN) 纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备法(干法和湿法纺丝)。

4.2.1干喷湿纺法干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的法。

经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条。

纺出的纤维体密度较高，表面平滑无沟槽，且可实现速纺丝，用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。

干喷湿纺装置常为立式喷丝机，从喷丝板喷出的纺丝液细流经空气段(干段) 后进入凝固浴，完成干喷湿纺过程；再经导向辊、离浴辊引入的丝条经后处理得到PAN纤维。

4.2.2射频法PAN原丝经过预氧化(200～350℃，射频负压软等离子法)、碳化(800～1200℃，微波加热法)到墨化(2400~ 2600℃，射频加热法)，主要受到牵伸状态下的温度控制。

在这一形成过程中达到纤维定型、碳元素富集，分子结构从聚丙烯腈高分子结构一乱层的墨结构一三维有序的墨结构。

国有自主知识产权的“射频法碳纤维墨化生工艺”开辟了碳纤维生产的创新之路，它采用射频负压软等离子法预氧化PAN原丝，接着用微波加热法碳化，最后用射频加热法墨化形成小丝束碳纤维。

4.3 碳纤维的加工过程碳纤维的生产制造过程基本相仿,主要有预氧化(即稳定化) 、低温碳化、高温碳化(又称墨化) 、表面处理、上浆和干燥等六大工艺步骤。

目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料来制造的。

以PAN为原丝制造CF 为例，其基本工艺流程为：五、碳纤维的改性5.1 表面改性的原因由于碳纤维表面惰性大、表面能低，缺乏有化学活性的官能团，反应活性低，与基体的粘结性差，界面中存在较多的缺陷，直接影响了复合材料的力学性能，限制了碳纤维高性能的发挥，因此可以通过表面改性提高其浸润性和粘结性。

5.2 表面改性机理（1）表面粗糙度(增加表面粗糙度有利于碳纤维与基体树脂的机械嵌合)。

（2）墨微晶大小(微晶越小，活性碳原子的数目就越多，越有利于纤维与树脂的粘合)。

（3）碳纤维表面官能团种类与数量(官能团如-OH)，经表面处理后，碳纤维表面墨微晶变细，不饱和碳原子数目增加，极性基团增多，这些都有利于复合材料性能改善。

5.3 碳纤维的氧化处理法（1）气相氧化法气相氧化使用的氧化剂有空气、氧气、臭氧等含氧气体。

氧化处理后，碳纤维表面积增大，官能基团增多，可以提高复合材料界面的粘接强度和材料的力学性能。

如把碳纤维在450℃下空气中氧化10min，所制备的复合材料的剪切强度和拉伸强度都有提高；采用浓度0.5-15mg/L的臭氧连续导入碳纤维表面处理炉对碳纤维进行表面处理，经处理后碳纤维复合材料的层间剪切强度可达78.4-105.8MPa。

(2)液相氧化法液相氧化处理对改善碳纤维/树脂复合材料的层间剪切强度很有效。

硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢和过硫酸钾等都可以用于对碳纤维进行表面处理。

硝酸是液相氧化中研究较多的一种氧化剂，用硝酸氧化碳纤维，可使其表面产生羧基、羟基和酸性基团，利于提高纤维与基体材料之间的结合力。

(3）电化学氧化电化学氧化处理利用了碳纤维的导电性，一般是将碳纤维作为阳极置于电解质溶液中。

机理是通过电解所产生的活性氧来氧化碳纤维表面而引入极性基团，从而改善纤维的浸润、粘敷特性及与基体的键合状况，显著增加碳纤维复合材料的力学性能。

碳纤维表面氧化状况可以通过改变反应温度、电解质浓度、处理时间和电流密度等条件来进行控制。

六、碳纤维的作用及应用领域6.1 碳纤维的作用（1）有超强吸附能力，对有害化学物质和气体能起到吸收、分解异味的作用，碳元素能自动调节湿度。

（2）碳元素还在常温下可以释放负离子和远红外线，并能有效减弱磁波辐射等功能。

（3）净化床垫自身，吸尽人体汗液在床垫上残留形成的潮湿，分解具有自洁功能创造一个洁净的睡眠空间。

6.2 碳纤维的应用领域碳纤维是发展国防军工与国民经济的重要战略物资，属于技术密集型的关键材料，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐普及。

在当今世界高速工业化的大背景下，碳纤维用途正趋向多样化。

中国已经有使用长纤作为高性能纤维的一种，在要求高温，物理稳定性高的场合，碳纤维复合材料具备不可替代的优势。

材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，正是由于兼具优异性能，碳纤维在国防和民用领域均有广泛的应用前景。

6.2.1 复合材料碳纤维在传统使用中除用作绝热保温材料外。

多作为增强材料加入到树脂、金属、瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。

碳纤维已成为先进复合材料最重要的增强材料。

由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点，已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。

碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。

高性能碳纤维是制造先进复合材料最重要的增强材料。

6.2.2 土木建筑土木建筑领域：碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强，在铁路建筑中，大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用，这些也将是碳纤维很有前景的应用面。

具有密度小，强度高，耐久性好，抗腐蚀能力强，可耐酸、碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强的特点。

用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶，比钢材轻50%左右，使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。

另外，碳纤维做补强混凝土结构时，不需要增加螺栓和铆钉固定，对原混凝土结构扰动较小，施工工艺简便。

6.2.3 航空航天碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料。