1.56
1.7-1.75
280
Thornel-50 6.5
1.67
2.10
350
Thornel-60 6.1
1.7
2.27
420
Thornel-70 ---
---
2.27
490
Thornel-75 ---
1.86
2.4-2.6
525
Thornel-100 6.1-9.4
1.79
3.5
703
2、粘胶基CF的制备
宇航、原子能、军事工业等现代高技术的 发展，大大促进了炭纤维及其复合材料的
研究与开发
更加重视材料的重量、比强度和比模量；
三大合成材料的诞生引起材料领域的一场 革命，但单一材料很难满足使用要求；
二十一世纪是复合材料的新时代；
炭纤维具有重量轻、比强度和比模量高、 耐热、耐化学腐蚀、耐烧蚀、热膨胀系数 小等特点，是复合材料的优秀增强材料。
的石墨纤维，模量已达175GPa； 目前，除维持少量的用于宇航材料外，基本处于萎
缩状态。
各种Thornel牌号粘胶CF的性能
Thornel牌号 Thornel-25
直 径 （ μm ） 密
度
（g/cm3）
பைடு நூலகம்
7.3
1.42
抗拉强度 （GPa）
1.29
杨氏模量 （GPa）
175
Thornel-40 6.9
四、PAN基炭纤维
1、发展简史
1950年，Houtz发现PAN在空气中加热可得到耐燃 的黑色纤维；
1959年，日本进藤昭男申请PAN纤维经氧化、炭 化制备CF的专利；
1963年，日本炭公司以PAN纤维为原料经氧化、 炭化获得通用级PAN-CF，规模6t/a;
1964年，英国皇家航空研究所（RAE）的Watt等 人，在PAN纤维预氧化过程中施加张力，为制备 高性能CF开辟了新途径；
第四部分 炭纤维及其复合
材料
一、前言
现代材料科学发展的总体趋势：向多功能化、复合化、 智能化和生态平衡化以及低成本、高可靠性方向发 展。
在功能材料方面，向高效能、高可靠、高灵敏和多功 能、智能化、功能集成化的方向发展。
在结构材料方面，向着高韧性、高比强、高耐磨、抗 腐蚀、耐高温的方向发展。
在发展新材料的同时，重视采用新理论、新工艺、新 技术改造传统材料。 此外，材料在生物工程与环境 科学中的应用是一个新的发展趋势。
240℃）； 通过自由基反应，糖链热裂解，伴随CO和
C-C键断裂，产生CO、CO2、H2O和四碳原 子基团等（240-400℃）； 芳构化并形成类石墨结构（400℃以上）。
3、粘胶CF的性能及应用
由人造丝制得的CF的横截面积形状大多不规则， 一般呈树叶状，表面沟槽十分清晰；
粘胶基炭纤维的碱金属含量低（<100ppm），而 PAN-CF高达数千ppm，另外，前者灰分低、密 度小、导热性差，更适合于作耐烧蚀材料，因为 钠等碱金属不仅是碳氧化的催化剂，而且在相当 低的温度下发生离子化并使烧蚀体周围空间的电 子浓度急增，从而使追踪耐烧体的雷达截面积扩 大并干扰微波通讯。因此，至今美国用于导弹等 空间耐烧系统的CF都是粘胶基CF。例如，分导 式多弹头MK-12A洲际导弹的C/C鼻锥使用的CF 就是Thornal-50。
CF制备的工艺流程
三、粘胶基炭纤维
1、发展历史及概况
1880年，爱迪生申请用碳丝作电灯丝的专利； 1950年，美国Wright-Patterson空军基地开始研究用
人造丝制备CF； 1958年，美国UCC公司开始人造丝基CF及其织物的
工业化生产，但力学性能较差； 1965年，UCC公司开始出售牌号为“Thornel P-25”
2)控制聚合物的分子量及其分布； 3）均相溶液聚合（DMSO、DMF等）；
o 纺丝：湿法和干法 o 水洗 o 牵伸：使PAN分子链沿轴向排列，提高
取向度，改善力学性能；
o 干燥和热定型；
原丝的预氧化
目的在于使PAN原丝分子环化脱氢，转化为耐 热的梯形结构，变为不溶不熔体，提高炭化收 率。
二、炭纤维的分类
按照原料分类： 粘胶基（纤维素基或人造丝基）； 聚丙烯腈基（PAN）； 沥青基（各向同性和各向异性）
按照制备条件和方法分类： 炭纤维（800-1600 ℃ ）； 石墨纤维（2000-3000 ℃ ）； 气相生长炭纤维； 活性炭纤维等
按照力学性能分类 通用级（GP）； 高性能（HP）： 中强型（MT）； 高强型（HT）； 超高强型（UHT）； 中模型（IM）； 高模型（HM）； 超高模型（UHM）
纤维素
NaOH
粘胶基 人造丝
碱性纤维素
CS2
粘胶液于硫酸等 凝固浴中湿法纺丝
纤维素磺酸钠盐 纤维素磺酸钠溶于碱液
1000℃炭化
2800℃牵伸石墨化
炭纤维
纤维素加热时化学结构的变化
炭化过程经历四个阶段： 物理吸附水的放出（25-150℃）； 分 子 结 构 的 变 化 ， 纤 维 素 环 脱 水 （ 150-
原丝是影响CF质量和扩大生产的关键之一，只有 得到取向度和强度高、热转化性能好、杂质和缺 陷少和纤度均匀的原丝，才能生产出高质量的炭 纤维。
1）加入共聚组分，可加速线型PAN分子的环化， 缓和纤维在氧化时的放热效应，易于控制反应， 并提高氧化和炭化的速度。
加速氰基环化、促进预氧化的共聚单体多数为丙 烯酸类及其衍生物，加入量要适宜（0.05-10%）;
主要因素有：温度、时间、气氛介质和牵伸程 度等
主要反应： * 环化反应 * 脱氢反应 * 氧化还原反应
CN CN CN CN
环化
脱氢
N
NN
脱氢
CN CN CN CN 环化
环化脱氢
N
NN
N
上述任何阶段可能结合氧的情况 OH OH O
COOH
N
N
N
N
OOO
O
N
NN
N
预氧丝的炭化
预氧丝在惰性气体中热处理至1500℃时,纤维中 的聚合物结构逐渐向多晶炭结构转变,梯形聚合 物结构之间进行交联,非碳元素从纤维中排出;当 在2500℃以上进行石墨化处理时,微晶进一步长 大,取向度进一步提高,力学性能也发生深刻的变 化.
1969年，日本东丽公司研究成功特殊的共聚性 PAN纤维，生产出高强高模型CF。
CH2
CH
C
N
CH2
CH
CN
+CH2
CH
C
N_
2、PAN-CF的制备
原
聚
纺
料
单
合
丝
体
成 品
炭纤 维
加
工 石墨
纤维
原
200300℃
预
氧
丝
化
预 氧 丝
上
表
面
处
浆
理
7001800℃
炭化
20003000℃
石墨 化
原丝制备