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。
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
碳纤维的特性
④摩擦系数小,并具有润滑性; ⑤导电性好,25℃时高模量碳纤维的比电阻为77 5μΨ/cm,高强度碳纤维则为1500μΨ/cm; ⑥耐高温和低温性好,在3000℃非氧化气氛下不 熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不 脆化; ⑦耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、 硫酸等侵蚀，此外碳纤维还具有耐油、抗辐射、 抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。
碳纤维及其复合材料概 况
续 年份
主要事项
表： 1972 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
1973 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
1974 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。
班级：13级高分子材 料与工程 姓名：
学号：
碳纤维及其复合 材料
内容
一.碳纤维及其复合材料 概况 二.碳纤维的特性、结构 及分类 三.碳纤维的应用与发展
一.碳纤维及其复合材 料概况
1.碳纤维及复合材料简述：
碳纤维（carbon fiber,CF)是由有机纤维在 保护气氛（N2或Ar）下热处理碳化成为含碳 量90%~99%的高性能无机纤维材料。1860 年，英国人瑟夫•斯旺（J.Swan）将细长的 棉线纸化制取碳丝，以此制作电灯的灯丝， 这是人类第一次记载使用碳纤维。碳纤维作 为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模 量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、 抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系 列优异性能。此外,还具有纤维的柔曲性和 可编性。
碳纤维微观结构图
碳纤维及其复合材料概况
2.碳纤维的发展简史：
年份
主要事项
1860 英国瑟夫•斯旺（J.Swan）制作碳丝灯泡 1878 英国瑟夫•斯旺（J.Swan）以棉纱试制碳丝 1879 爱迪生以油烟与焦油、棉纱和竹丝试制碳丝（持续照明45h） 1882 碳丝电灯实用化 1911 钨丝电灯实用化（1910年发明） 1950 美国Wright-Patterson空军基地开始研制黏胶基碳纤维 1959 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 1962 日本碳公司开始生产低模量PAN基碳纤维（0.5t/month） 1963 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 1964 英国Courtaulds, Morganite和Roll-Roys公司利用RAE技术生产P 1965 AN基碳纤维
1981 美国波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维
1984 日本三菱人造丝公司与美国Hitco公司进行技术合作
1986 日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T800
1989 日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T1000
1992 日本东丽公司研制成功高强中强碳纤量高达690
CF的结构
石墨片 层
石墨微晶
（乱层结 构）
石墨原纤
（条带结 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。
1975 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“Tho
rnel-P”
1976 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
1979 日本住友化学与美国赫格里斯（Hercules）成立联合公司
1980 日本碳公司与旭化成工业公司成立旭日碳纤维公司
日本群马大学的大谷杉郎发明了沥青基碳纤维 1970 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） 1971 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
GPa
···
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；