產(chǎn)業(yè)用紡織品06

1、新興的學(xué)科重點(diǎn)：重點(diǎn)：高性能纖維性能高性能纖維性能難點(diǎn)：難點(diǎn)：分類、定義分類、定義 五、五、碳纖維碳纖維1 1、前言、前言定義：碳纖維是指纖維的化學(xué)組成中碳元素定義：碳纖維是指纖維的化學(xué)組成中碳元素占總質(zhì)量占總質(zhì)量90%90%以上的纖維。以上的纖維。碳纖維的研制并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)始于二十世碳纖維的研制并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)始于二十世紀(jì)紀(jì)5050年代。年代。19961996年全世界碳纖維的總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到年全世界碳纖維的總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到1700017000t t，其中聚丙烯腈其中聚丙烯腈( (PAN)PAN)基纖維占基纖維占85%85%，其余，其余的是瀝青基纖維。由于聚丙烯腈基纖維作原料，的是瀝青基纖維。由

2、于聚丙烯腈基纖維作原料，其生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，產(chǎn)品的力學(xué)性能優(yōu)良，因其生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，產(chǎn)品的力學(xué)性能優(yōu)良，因此得到了大力發(fā)展。瀝青基碳纖維，由于原料來(lái)此得到了大力發(fā)展。瀝青基碳纖維，由于原料來(lái)源豐富，價(jià)格便宜，而且含碳量高，碳化后的制源豐富，價(jià)格便宜，而且含碳量高，碳化后的制得率高，所以正在迅速發(fā)展，有可能在碳纖維的得率高，所以正在迅速發(fā)展，有可能在碳纖維的民用工業(yè)方面獲得很好的推廣應(yīng)用。民用工業(yè)方面獲得很好的推廣應(yīng)用。 2 2、碳纖維的分類、碳纖維的分類 碳纖維的分類，按習(xí)慣大致有以下三種方碳纖維的分類，按習(xí)慣大致有以下三種方法：法：（1 1）、按原料分類：）、按原料分類：碳纖維碳纖維 向異

3、性中間相）瀝青基（各向同性、各聚丙烯腈基纖維素基（人造絲基） （2 2）、按制造條件和方法分類：）、按制造條件和方法分類： 碳纖維碳纖維 （3 3）、按力學(xué)性能分類：）、按力學(xué)性能分類： 碳纖維碳纖維 氣相生長(zhǎng)碳纖維活性碳纖維時(shí)得到的碳纖維）石墨纖維（碳化溫度在時(shí)得到的碳纖維）碳纖維（碳化溫度在300020001600800)()()()()()()(1404 . 1)(UHMHMIMUHTHTMTHPGPaGPaGP超高模型高模型中模型超高強(qiáng)型高強(qiáng)型中強(qiáng)型高性能的纖維，拉伸模量小于（拉伸強(qiáng)度低于通用級(jí) 3、碳纖維的性能、碳纖維的性能 （十項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)；三項(xiàng)缺點(diǎn)）（十項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)；三項(xiàng)缺點(diǎn)）（1 1）、在

4、在纖維軸方向纖維軸方向顯示高抗拉顯示高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量強(qiáng)度和高彈性模量強(qiáng)度和彈性模量是衡量材料堅(jiān)固強(qiáng)度和彈性模量是衡量材料堅(jiān)固程度的兩個(gè)最重要的力學(xué)性能指程度的兩個(gè)最重要的力學(xué)性能指標(biāo)。高強(qiáng)度的碳纖維的抗拉強(qiáng)度標(biāo)。高強(qiáng)度的碳纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到可達(dá)到30403040噸噸/ /平方厘米，要比平方厘米，要比鋼鐵大四倍多。鋼鐵大四倍多。（2 2）、）、比重輕比重輕1.72.2碳纖維比重只比一般塑料重一點(diǎn)。碳纖維碳纖維比重只比一般塑料重一點(diǎn)。碳纖維的比重是鋁合金的的比重是鋁合金的1/21/2，還不到鋼鐵的，還不到鋼鐵的1/41/4。如按它的抗拉強(qiáng)度比鋼鐵大如按它的抗拉強(qiáng)度比鋼鐵大4 4倍，比鋁合金

5、倍，比鋁合金大大6 6倍計(jì)算，碳纖維的比強(qiáng)度比鋼鐵大倍計(jì)算，碳纖維的比強(qiáng)度比鋼鐵大1616倍，倍，比鋁合金大比鋁合金大1212倍。由于碳纖維的比強(qiáng)度和倍。由于碳纖維的比強(qiáng)度和比彈性模量特別高，所以對(duì)于那些要求全比彈性模量特別高，所以對(duì)于那些要求全面減輕自重的物體，如宇航用品、交通用面減輕自重的物體，如宇航用品、交通用品、體育比賽用品就有更大的意義。品、體育比賽用品就有更大的意義。（3 3）、）、纖度細(xì)纖度細(xì)碳纖維的外表很平凡，粗看起來(lái)象人的頭碳纖維的外表很平凡，粗看起來(lái)象人的頭發(fā)，但比人的頭發(fā)要細(xì)得多。將幾十根碳發(fā)，但比人的頭發(fā)要細(xì)得多。將幾十根碳纖維合在一起才和人的頭發(fā)一樣粗細(xì)。碳纖維合在一

6、起才和人的頭發(fā)一樣粗細(xì)。碳纖維細(xì)度可為纖維細(xì)度可為0.050.05TexTex。（4 4）、不生銹、耐腐蝕不生銹、耐腐蝕 碳纖維不生銹，耐腐蝕。除了濃度大于碳纖維不生銹，耐腐蝕。除了濃度大于75%75%的硝酸和硫酸外，鹽酸、硝酸、硫酸和的硝酸和硫酸外，鹽酸、硝酸、硫酸和一些有機(jī)溶劑腐蝕不了碳纖維。把碳纖維一些有機(jī)溶劑腐蝕不了碳纖維。把碳纖維放在一些酸液中，二百天后測(cè)量其彈性模放在一些酸液中，二百天后測(cè)量其彈性模量、強(qiáng)度和直徑的變化，發(fā)現(xiàn)在濃度為量、強(qiáng)度和直徑的變化，發(fā)現(xiàn)在濃度為50%50%的鹽酸、硫酸和磷酸中沒有明顯的變化，的鹽酸、硫酸和磷酸中沒有明顯的變化，在在50%50%濃度的硝酸中只是稍

7、有膨脹，其耐腐濃度的硝酸中只是稍有膨脹，其耐腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼。在一份硝酸（濃度蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼。在一份硝酸（濃度70%70%）和三份鹽酸（濃度）和三份鹽酸（濃度37%37%）配成的）配成的“王王水水”中，碳纖維性能不變。中，碳纖維性能不變。（5）、既能耐低溫，又能耐超高溫）、既能耐低溫，又能耐超高溫在在180180C C的低溫下，許多材料都變得很脆，而石墨的低溫下，許多材料都變得很脆，而石墨纖維布在這么低的溫度下卻依舊是很柔軟。纖維布在這么低的溫度下卻依舊是很柔軟。在在3000400030004000C C的高溫下，在沒有氧氣的情況下，碳的高溫下，在沒有氧氣的情況下，碳纖維在這樣的高溫下

8、也還是巍然不動(dòng)。纖維在這樣的高溫下也還是巍然不動(dòng)。一般材料的強(qiáng)度隨著溫度的升高都要大幅度降低，一般材料的強(qiáng)度隨著溫度的升高都要大幅度降低，但碳材料卻是但碳材料卻是唯一的一種在高溫下隨著溫度升高而強(qiáng)度唯一的一種在高溫下隨著溫度升高而強(qiáng)度增大的材料增大的材料。理論上，隨著溫度的升高，在。理論上，隨著溫度的升高，在25002500C C時(shí)，時(shí)，碳材料的強(qiáng)度不僅不降低，反而比室溫的強(qiáng)度還要提高碳材料的強(qiáng)度不僅不降低，反而比室溫的強(qiáng)度還要提高一倍。然而在現(xiàn)有的實(shí)際操作中，碳纖維隨著溫度升高一倍。然而在現(xiàn)有的實(shí)際操作中，碳纖維隨著溫度升高而強(qiáng)度并不增加，但在而強(qiáng)度并不增加，但在20002000C C以上的

9、高溫下，碳纖維的以上的高溫下，碳纖維的強(qiáng)度和彈性模量卻仍能基本保持。因此，碳纖維的耐高強(qiáng)度和彈性模量卻仍能基本保持。因此，碳纖維的耐高溫性能還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般材料。溫性能還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般材料。碳纖維的升華溫度高達(dá)碳纖維的升華溫度高達(dá)36503650C C。（6）、能耐溫度急變，熱膨脹系數(shù)?。⒛苣蜏囟燃弊?，熱膨脹系數(shù)小碳纖維的耐急冷急熱性能很好，制品即使它從碳纖維的耐急冷急熱性能很好，制品即使它從30003000C C的高溫一下子猛降到室溫也不會(huì)炸裂，這是因?yàn)榈母邷匾幌伦用徒档绞覝匾膊粫?huì)炸裂，這是因?yàn)樗木€膨脹系數(shù)很低的緣故。它的線膨脹系數(shù)很低的緣故。碳纖維受到溫度變化時(shí)，在它的長(zhǎng)度方向上不

10、是熱碳纖維受到溫度變化時(shí)，在它的長(zhǎng)度方向上不是熱脹冷縮，而是熱縮冷脹，它的膨脹系數(shù)是個(gè)負(fù)數(shù)。它的脹冷縮，而是熱縮冷脹，它的膨脹系數(shù)是個(gè)負(fù)數(shù)。它的膨脹系數(shù)的絕對(duì)值比鋼小幾十倍，比玻璃要小上百倍，膨脹系數(shù)的絕對(duì)值比鋼小幾十倍，比玻璃要小上百倍，實(shí)際上近于零。實(shí)際上近于零。因此，碳纖維及其和某些塑料、金屬做成的復(fù)合材因此，碳纖維及其和某些塑料、金屬做成的復(fù)合材料，可以用來(lái)制造精密儀器、精密量具和精密機(jī)車的零料，可以用來(lái)制造精密儀器、精密量具和精密機(jī)車的零件。而且即使在溫度變化較大的環(huán)境中使用，也還能保件。而且即使在溫度變化較大的環(huán)境中使用，也還能保持其高度的精確性。持其高度的精確性。（7）、）、常溫

11、下導(dǎo)熱性能良好，高溫下導(dǎo)常溫下導(dǎo)熱性能良好，高溫下導(dǎo)熱性能低熱性能低導(dǎo)熱性是材料傳導(dǎo)熱量能力大小的一個(gè)物理性能指標(biāo)。導(dǎo)熱性是材料傳導(dǎo)熱量能力大小的一個(gè)物理性能指標(biāo)。碳纖維在常溫下導(dǎo)熱性能較好，但它的導(dǎo)熱性能是隨著碳纖維在常溫下導(dǎo)熱性能較好，但它的導(dǎo)熱性能是隨著溫度而變化的。隨著溫度的升高，碳纖維的導(dǎo)熱性逐漸溫度而變化的。隨著溫度的升高，碳纖維的導(dǎo)熱性逐漸變低，在變低，在2000 C以上的高溫下，它的導(dǎo)熱性要比在常以上的高溫下，它的導(dǎo)熱性要比在常溫時(shí)低五、六倍。同時(shí)，碳纖維的高溫導(dǎo)熱性能比其它溫時(shí)低五、六倍。同時(shí)，碳纖維的高溫導(dǎo)熱性能比其它材料也要低得多（只有金屬的百分之一，耐火粘土的十材料也要

12、低得多（只有金屬的百分之一，耐火粘土的十分之一）。因此，碳纖維是一種很好的高溫隔熱材料。分之一）。因此，碳纖維是一種很好的高溫隔熱材料。用于火箭、真空電爐外殼，縮小了火箭和真空爐的體積用于火箭、真空電爐外殼，縮小了火箭和真空爐的體積和重量。和重量。（8）、突出的導(dǎo)電性能）、突出的導(dǎo)電性能碳纖維具有很好的導(dǎo)電性。碳纖維具有很好的導(dǎo)電性。碳纖維由于是纖細(xì)的纖維結(jié)構(gòu)，所以它的材碳纖維由于是纖細(xì)的纖維結(jié)構(gòu)，所以它的材質(zhì)又與織物的性質(zhì)有聯(lián)系，碳纖維制成的碳線、質(zhì)又與織物的性質(zhì)有聯(lián)系，碳纖維制成的碳線、碳布具有柔軟性，可以作成柔軟的碳布具有柔軟性，可以作成柔軟的“電阻絲電阻絲”，用在一些特殊的環(huán)境中，它們

13、的電阻值可以通過用在一些特殊的環(huán)境中，它們的電阻值可以通過制造過程中控制碳化溫度來(lái)調(diào)節(jié)，所以電阻值能制造過程中控制碳化溫度來(lái)調(diào)節(jié)，所以電阻值能調(diào)得很高，使需要的電流相當(dāng)微小，有利于接線調(diào)得很高，使需要的電流相當(dāng)微小，有利于接線的設(shè)計(jì)。同時(shí)，這種柔軟的電阻絲在運(yùn)行中不會(huì)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，這種柔軟的電阻絲在運(yùn)行中不會(huì)變脆，不會(huì)產(chǎn)生局部過熱，是一種電阻加熱最有變脆，不會(huì)產(chǎn)生局部過熱，是一種電阻加熱最有前途的新材料。由于碳纖維的電阻值可以調(diào)得很前途的新材料。由于碳纖維的電阻值可以調(diào)得很高，所以也可以做成表面積較大的發(fā)熱元件。高，所以也可以做成表面積較大的發(fā)熱元件。碳纖維具有高的發(fā)射率，在碳纖維具有高的發(fā)射

14、率，在1100 C它的發(fā)射率為鎢它的發(fā)射率為鎢的二倍，故可用小電流產(chǎn)生大的輻射功率。（光）的二倍，故可用小電流產(chǎn)生大的輻射功率。（光）例如例如用碳纖維織成能導(dǎo)電的毯子，可以做成工業(yè)上用的大用碳纖維織成能導(dǎo)電的毯子，可以做成工業(yè)上用的大面積均勻加熱的暖房墻壁。面積均勻加熱的暖房墻壁。有人將一條有人將一條2.5CM寬，寬，1M長(zhǎng)的石墨纖維織成的帶，長(zhǎng)的石墨纖維織成的帶，繞在一個(gè)裝滿水的、直徑為繞在一個(gè)裝滿水的、直徑為16CM的燒杯外壁，然后在布的燒杯外壁，然后在布帶的兩端接上帶的兩端接上220伏的電源，只要幾分鐘，水就沸騰了，伏的電源，只要幾分鐘，水就沸騰了，它的功率相當(dāng)于一個(gè)它的功率相當(dāng)于一個(gè)1

15、.5千瓦的電爐那么大。千瓦的電爐那么大。把碳纖維放在紙漿中，可以制造出能導(dǎo)電的紙來(lái)，把碳纖維放在紙漿中，可以制造出能導(dǎo)電的紙來(lái)，用這種碳纖維紙做擴(kuò)音器上的錐形振動(dòng)紙及激勵(lì)系統(tǒng)，用這種碳纖維紙做擴(kuò)音器上的錐形振動(dòng)紙及激勵(lì)系統(tǒng)，可以使擴(kuò)音器的音色好，失真性小?？梢允箶U(kuò)音器的音色好，失真性小。利用不同電阻值的碳纖維，能夠制造出各種規(guī)格的利用不同電阻值的碳纖維，能夠制造出各種規(guī)格的發(fā)熱體，用在各種類型的高溫爐中。這種碳纖維發(fā)熱體發(fā)熱體，用在各種類型的高溫爐中。這種碳纖維發(fā)熱體不但能產(chǎn)生不但能產(chǎn)生3000 C的高溫，而且因?yàn)槟图崩浼睙嵝阅芎?，的高溫，而且因?yàn)槟图崩浼睙嵝阅芎?，還可以使加熱和冷卻都很迅速。

16、此外，利用碳纖維紙還還可以使加熱和冷卻都很迅速。此外，利用碳纖維紙還可以做燃料電池的電極、電子管的柵極?？梢宰鋈剂想姵氐碾姌O、電子管的柵極。 （9）、優(yōu)良的吸附性能）、優(yōu)良的吸附性能碳纖維具有很好的吸附性能。用多孔的原料纖維碳纖維具有很好的吸附性能。用多孔的原料纖維制得的碳纖維，或用普通碳纖維在蒸汽氣流中加熱到制得的碳纖維，或用普通碳纖維在蒸汽氣流中加熱到800 C處理后得到的碳纖維，都具有比其它材料優(yōu)異的處理后得到的碳纖維，都具有比其它材料優(yōu)異的吸附性能。這種材料具有巨大的表面積，而且表面上吸附性能。這種材料具有巨大的表面積，而且表面上的碳原子處于的碳原子處于“活化活化”狀態(tài)，很容易和其它化

17、學(xué)物質(zhì)狀態(tài)，很容易和其它化學(xué)物質(zhì)結(jié)合。結(jié)合。 多孔活性炭碳纖維和目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的吸附多孔活性炭碳纖維和目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的吸附材料材料顆?；钚蕴枷啾容^，無(wú)論從通氣、透水性、顆?；钚蕴枷啾容^，無(wú)論從通氣、透水性、吸附能力和吸附速度等性能方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了顆粒吸附能力和吸附速度等性能方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了顆粒狀活性炭，它的通氣阻力僅為后者的狀活性炭，它的通氣阻力僅為后者的1/21/5，吸附有，吸附有機(jī)溶劑、硫的氧化物和氮的氧化物等有害氣體的能力機(jī)溶劑、硫的氧化物和氮的氧化物等有害氣體的能力為其為其1.52倍多。倍多。 （10）、）、碳纖維還具有耐輻射，碳纖維還具有耐輻射， 能反射中子等特性。能反射

18、中子等特性。 碳纖維的缺點(diǎn)：碳纖維的缺點(diǎn)：AA、比較脆、怕受壓和剪切比較脆、怕受壓和剪切碳纖維尤其害怕碳纖維尤其害怕“打結(jié)打結(jié)”和和“急拐彎急拐彎”。BB、抗氧化性差抗氧化性差碳纖維抗氧化性差，在高溫下容易生成二氧化碳跑掉，碳纖維抗氧化性差，在高溫下容易生成二氧化碳跑掉，所以它不耐氧化。所以它不耐氧化。CC、破壞前無(wú)預(yù)報(bào)破壞前無(wú)預(yù)報(bào)碳纖維在斷裂前沒有預(yù)報(bào)。碳纖維由于彈性模量高，受碳纖維在斷裂前沒有預(yù)報(bào)。碳纖維由于彈性模量高，受力后產(chǎn)生的變形很小，所以即使當(dāng)它被拉斷時(shí)，也只產(chǎn)力后產(chǎn)生的變形很小，所以即使當(dāng)它被拉斷時(shí)，也只產(chǎn)生生0.5%0.5%的伸長(zhǎng)變形。因此碳纖維在斷裂之前，沒有任何的伸長(zhǎng)變形。

19、因此碳纖維在斷裂之前，沒有任何明顯的征兆，人們不能在事故發(fā)生之前采取預(yù)防措施。明顯的征兆，人們不能在事故發(fā)生之前采取預(yù)防措施。4、碳纖維的結(jié)構(gòu)、碳纖維的結(jié)構(gòu)（1）、）、各向同性的碳纖維各向同性的碳纖維（2）、）、各向異性的碳纖維各向異性的碳纖維（1）、各向同性的碳纖維）、各向同性的碳纖維普通碳纖維是由有機(jī)纖維在不加張力的情況下，普通碳纖維是由有機(jī)纖維在不加張力的情況下，在惰性氣體或真空中經(jīng)高溫處理而制成的。這在惰性氣體或真空中經(jīng)高溫處理而制成的。這類纖維的制造費(fèi)用是所有碳纖維中最低的，并類纖維的制造費(fèi)用是所有碳纖維中最低的，并且它的強(qiáng)度、彈性模量也不高。因此，它主要且它的強(qiáng)度、彈性模量也不高。

20、因此，它主要用做高溫電爐的保溫材料及一般的防腐蝕材料。用做高溫電爐的保溫材料及一般的防腐蝕材料。如果用多孔的有機(jī)纖維作原料，那么碳化后得如果用多孔的有機(jī)纖維作原料，那么碳化后得到的則是多孔的活性炭碳纖維。這種碳纖維雖到的則是多孔的活性炭碳纖維。這種碳纖維雖然強(qiáng)度不太高，但它的比表面積（單位重量物然強(qiáng)度不太高，但它的比表面積（單位重量物質(zhì)所具有的表面積）特別大，是一種非常好的質(zhì)所具有的表面積）特別大，是一種非常好的吸附材料。吸附材料。各向同性的碳纖維是由玻璃狀的碳，即具各向同性的碳纖維是由玻璃狀的碳，即具有渦輪層疊結(jié)構(gòu)的多晶狀態(tài)碳組成。有渦輪層疊結(jié)構(gòu)的多晶狀態(tài)碳組成。微晶大小微晶大小LaLa和和

21、LcLc約為約為1.53.01.53.0nmnm空隙體積空隙體積3040%3040%密度約密度約1.41.51.41.5g/cmg/cm3 3由于沒有優(yōu)先取向，所以其彈性模量和抗由于沒有優(yōu)先取向，所以其彈性模量和抗拉強(qiáng)度相對(duì)較小。因此，適用于填充材料拉強(qiáng)度相對(duì)較小。因此，適用于填充材料和隔熱材料的織物、毛氈和線繩。和隔熱材料的織物、毛氈和線繩。（2）、各向異性的碳纖維）、各向異性的碳纖維在石墨結(jié)構(gòu)中，每個(gè)碳原子只是以三個(gè)等強(qiáng)的共價(jià)鍵和在石墨結(jié)構(gòu)中，每個(gè)碳原子只是以三個(gè)等強(qiáng)的共價(jià)鍵和其它三個(gè)碳原子結(jié)合。因此，石墨分子內(nèi)部的碳原子是其它三個(gè)碳原子結(jié)合。因此，石墨分子內(nèi)部的碳原子是成層狀排列的。在每

22、一層內(nèi)，各碳原子都和另外三個(gè)碳成層狀排列的。在每一層內(nèi)，各碳原子都和另外三個(gè)碳原子以等強(qiáng)的共價(jià)鍵相結(jié)合，兩個(gè)相鄰共價(jià)鍵間夾角為原子以等強(qiáng)的共價(jià)鍵相結(jié)合，兩個(gè)相鄰共價(jià)鍵間夾角為120120，每個(gè)碳原子和相鄰的三個(gè)碳原子間距離都相等，每個(gè)碳原子和相鄰的三個(gè)碳原子間距離都相等，構(gòu)成一個(gè)正六邊形環(huán)。構(gòu)成一個(gè)正六邊形環(huán)。平行于平面網(wǎng)層方向的硬度接近平行于平面網(wǎng)層方向的硬度接近于金剛石，而垂直于平面網(wǎng)層方向的硬度則要小得多于金剛石，而垂直于平面網(wǎng)層方向的硬度則要小得多（相差約三、四十倍）。同樣，在垂直和平行方向上，（相差約三、四十倍）。同樣，在垂直和平行方向上，石墨的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和膨脹系數(shù)等，也都要相差

23、許多石墨的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和膨脹系數(shù)等，也都要相差許多倍。為各向異性材料。倍。為各向異性材料。石墨平面層就不象普通石墨結(jié)構(gòu)平面網(wǎng)層那樣雜亂石墨平面層就不象普通石墨結(jié)構(gòu)平面網(wǎng)層那樣雜亂地排列，而是沿著纖維長(zhǎng)度方向平行而整齊地排列，這地排列，而是沿著纖維長(zhǎng)度方向平行而整齊地排列，這就是高彈性模量、高強(qiáng)度碳纖維的結(jié)構(gòu)和普通石墨不同就是高彈性模量、高強(qiáng)度碳纖維的結(jié)構(gòu)和普通石墨不同的地方。的地方。一般在高彈性模量、高強(qiáng)度碳纖維結(jié)構(gòu)中，石墨層一般在高彈性模量、高強(qiáng)度碳纖維結(jié)構(gòu)中，石墨層平面偏離纖維長(zhǎng)度方向（軸向）的角度在平面偏離纖維長(zhǎng)度方向（軸向）的角度在10以內(nèi)，以內(nèi)，這個(gè)角度叫做取向角。顯然，取向角愈小

24、，石墨層平面這個(gè)角度叫做取向角。顯然，取向角愈小，石墨層平面與纖維軸向的平行度就愈高，或者叫做取向度愈高。與纖維軸向的平行度就愈高，或者叫做取向度愈高。當(dāng)纖維受到外力拉伸時(shí)，全部是由許多互相平行的當(dāng)纖維受到外力拉伸時(shí)，全部是由許多互相平行的石墨平面網(wǎng)層內(nèi)的碳原子來(lái)分擔(dān)的。石墨平面層內(nèi)的碳石墨平面網(wǎng)層內(nèi)的碳原子來(lái)分擔(dān)的。石墨平面層內(nèi)的碳原子，都象大自然中最硬的物質(zhì)原子，都象大自然中最硬的物質(zhì)金剛石結(jié)構(gòu)內(nèi)的碳原金剛石結(jié)構(gòu)內(nèi)的碳原子一樣，彼此間結(jié)合得很牢固，因此，要使它變形或破子一樣，彼此間結(jié)合得很牢固，因此，要使它變形或破壞它，就也得象破壞金剛石那樣，要用比其它材料更大壞它，就也得象破壞金剛石那樣

25、，要用比其它材料更大的力才行，這也就是碳纖維的彈性模量和強(qiáng)度特別高的的力才行，這也就是碳纖維的彈性模量和強(qiáng)度特別高的原因。原因。 W.W.羅朗羅朗( (W.Ruland)W.Ruland)等提出了異性碳纖維結(jié)構(gòu)模型，等提出了異性碳纖維結(jié)構(gòu)模型，其要點(diǎn)是：其要點(diǎn)是：碳纖維的基本結(jié)構(gòu)單元是由寬碳纖維的基本結(jié)構(gòu)單元是由寬6.06.0nmnm，長(zhǎng)在長(zhǎng)在100100nmnm以上的細(xì)帶狀微晶組成；以上的細(xì)帶狀微晶組成；石墨層間平均距離石墨層間平均距離0.30.3nmnm。這些細(xì)帶或多或少地這些細(xì)帶或多或少地成波浪形而主要平行于纖維軸伸展；波浪形的細(xì)帶形成波浪形而主要平行于纖維軸伸展；波浪形的細(xì)帶形成微原纖

26、；成微原纖；細(xì)帶在縱向伸展，呈柳葉刀形的孔，寬約細(xì)帶在縱向伸展，呈柳葉刀形的孔，寬約20.20.nmnm，長(zhǎng)數(shù)十納米，體積約占長(zhǎng)數(shù)十納米，體積約占2030%2030%。碳纖維的在結(jié)構(gòu)上的差別決碳纖維的在結(jié)構(gòu)上的差別決定了其機(jī)械性能的差異。定了其機(jī)械性能的差異。彈性模量主要取決于微觀結(jié)彈性模量主要取決于微觀結(jié)構(gòu)，特別是石墨層的波浪度。構(gòu)，特別是石墨層的波浪度。強(qiáng)度取決于宏觀結(jié)構(gòu)中缺陷強(qiáng)度取決于宏觀結(jié)構(gòu)中缺陷出現(xiàn)的頻率和種類，以及孔隙和出現(xiàn)的頻率和種類，以及孔隙和裂紋。裂紋。 5、碳纖維的制造、碳纖維的制造（1）、原料）、原料碳纖維是不能用碳做原料來(lái)制造的。工業(yè)上碳纖維是不能用碳做原料來(lái)制造的。工

27、業(yè)上制造碳纖維是以有機(jī)纖維做原料，在沒有氧氣的制造碳纖維是以有機(jī)纖維做原料，在沒有氧氣的情況下經(jīng)過高溫處理轉(zhuǎn)化而來(lái)的。情況下經(jīng)過高溫處理轉(zhuǎn)化而來(lái)的。 含碳的有機(jī)纖維做原料，在沒有氧氣的情況含碳的有機(jī)纖維做原料，在沒有氧氣的情況下，經(jīng)過高溫處理，將氮、氫、氧等非碳原子變下，經(jīng)過高溫處理，將氮、氫、氧等非碳原子變成氰化氫、氨、水、甲烷、氫、氮等氣態(tài)組分，成氰化氫、氨、水、甲烷、氫、氮等氣態(tài)組分，并把焦油等產(chǎn)物排除掉，所剩下碳的骨架就構(gòu)成并把焦油等產(chǎn)物排除掉，所剩下碳的骨架就構(gòu)成了碳纖維。這是一種既經(jīng)濟(jì)又易于工業(yè)化生產(chǎn)的了碳纖維。這是一種既經(jīng)濟(jì)又易于工業(yè)化生產(chǎn)的方法。這也就是為什么要用有機(jī)纖維做原料

28、制造方法。這也就是為什么要用有機(jī)纖維做原料制造碳纖維的原因。碳纖維的原因。使用有機(jī)纖維熱裂解法生產(chǎn)碳纖維，使用的原料使用有機(jī)纖維熱裂解法生產(chǎn)碳纖維，使用的原料要受到以下條件的限制：要受到以下條件的限制：聚合物不熔融。聚合物不熔融。聚合物在熱降解中損失要小。聚合物在熱降解中損失要小。在熱裂解中生成的碳骨架，應(yīng)盡可能容易再在熱裂解中生成的碳骨架，應(yīng)盡可能容易再結(jié)合形成石墨的結(jié)構(gòu)單元。結(jié)合形成石墨的結(jié)構(gòu)單元?；谏鲜鲈颍壳吧虡I(yè)上可供使用的原料有：基于上述原因，目前商業(yè)上可供使用的原料有：11）纖維素和再生纖維素。）纖維素和再生纖維素。22）聚丙烯睛均聚物、共聚物。）聚丙烯睛均聚物、共聚物。33）

29、瀝青和煤抽取物。）瀝青和煤抽取物。（2）、用纖維素纖維制造碳纖維）、用纖維素纖維制造碳纖維此項(xiàng)技術(shù)首先在此項(xiàng)技術(shù)首先在美國(guó)美國(guó)開發(fā)，一般用人造絲作原料制造出來(lái)的。開發(fā)，一般用人造絲作原料制造出來(lái)的。再生纖維素碳的含量較低再生纖維素碳的含量較低。一百千克的人造絲，碳化后只能得。一百千克的人造絲，碳化后只能得到十五到二十千克的碳纖維到十五到二十千克的碳纖維，比用腈綸纖維制造的要少一半。同時(shí)，比用腈綸纖維制造的要少一半。同時(shí)，制造再生纖維素纖維的原料來(lái)源受到自然條件的限制。制造再生纖維素纖維的原料來(lái)源受到自然條件的限制。再生纖維素纖維必須先經(jīng)過洗滌和干燥。它直接放在惰性氣體再生纖維素纖維必須先經(jīng)過洗

30、滌和干燥。它直接放在惰性氣體中加熱，到中加熱，到700以上，即可得到強(qiáng)度和彈性模量低的碳纖維以上，即可得到強(qiáng)度和彈性模量低的碳纖維。若想得到高彈性模量高強(qiáng)度的碳纖維，就必須在加熱過程中對(duì)若想得到高彈性模量高強(qiáng)度的碳纖維，就必須在加熱過程中對(duì)纖維施加張力。但由于纖維素纖維的大分子結(jié)構(gòu)中含有氧原子，在纖維施加張力。但由于纖維素纖維的大分子結(jié)構(gòu)中含有氧原子，在加熱過程中氧進(jìn)行了重排反應(yīng)，所以就使得原料纖維中的分子從整加熱過程中氧進(jìn)行了重排反應(yīng)，所以就使得原料纖維中的分子從整齊的排列取向變成了雜亂無(wú)章的排列，造成了纖維在低溫下強(qiáng)度降齊的排列取向變成了雜亂無(wú)章的排列，造成了纖維在低溫下強(qiáng)度降低，并難以施

31、加張力。只有低，并難以施加張力。只有加熱到加熱到20002000以上，才能對(duì)纖維施加張以上，才能對(duì)纖維施加張力，使纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿著纖維長(zhǎng)度方向整齊地取向。加熱到力，使纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿著纖維長(zhǎng)度方向整齊地取向。加熱到30003000左右進(jìn)行的左右進(jìn)行的“拉伸石墨化拉伸石墨化”工藝，是制得高機(jī)械性能碳纖維所必需工藝，是制得高機(jī)械性能碳纖維所必需的，它使得碳纖維取向呈石墨微晶細(xì)帶狀，同時(shí)使纖維的孔隙度減的，它使得碳纖維取向呈石墨微晶細(xì)帶狀，同時(shí)使纖維的孔隙度減少少50%50%。由于在高溫下拉伸纖維需要由于在高溫下拉伸纖維需要昂貴的設(shè)備昂貴的設(shè)備，所以用纖維素纖維制，所以用纖維素纖維制造碳纖維的成本最高

32、，而且這樣制出的碳纖維與樹脂等復(fù)合的粘結(jié)造碳纖維的成本最高，而且這樣制出的碳纖維與樹脂等復(fù)合的粘結(jié)力小，在使用過程中層之間容易開裂。由于這些原因，目前大部分力小，在使用過程中層之間容易開裂。由于這些原因，目前大部分是用腈綸纖維、瀝青纖維作原料來(lái)制造碳纖維。是用腈綸纖維、瀝青纖維作原料來(lái)制造碳纖維。 （3 3）、用聚丙烯腈纖維制造碳纖維）、用聚丙烯腈纖維制造碳纖維 聚丙烯腈是由聚丙烯腈是由碳、氫、氮碳、氫、氮三種元素組三種元素組成的。碳纖維就主要是以純粹的丙烯腈聚成的。碳纖維就主要是以純粹的丙烯腈聚合而成再經(jīng)過特特工藝得到的連續(xù)纖維做合而成再經(jīng)過特特工藝得到的連續(xù)纖維做原料。原料。聚丙烯腈長(zhǎng)絲的

33、性能就要有一定的要聚丙烯腈長(zhǎng)絲的性能就要有一定的要求：求：一是一是原料纖維結(jié)構(gòu)中鏈狀分子沿纖維原料纖維結(jié)構(gòu)中鏈狀分子沿纖維軸向的取向度要高，這樣易制得彈性模量軸向的取向度要高，這樣易制得彈性模量高的碳纖維；高的碳纖維；二是二是原料纖維的強(qiáng)度要高，原料纖維的強(qiáng)度要高，這樣易制得強(qiáng)度高的碳纖維；這樣易制得強(qiáng)度高的碳纖維；三是三是纖維的纖維的粗細(xì)要均勻。粗細(xì)要均勻。 A A、用聚丙烯腈纖維制造碳纖維用聚丙烯腈纖維制造碳纖維分下面幾個(gè)階段：分下面幾個(gè)階段：聚丙烯腈的氧化階段聚丙烯腈的氧化階段黑化纖維的炭化階段黑化纖維的炭化階段碳纖維的拉伸石墨化階段碳纖維的拉伸石墨化階段 聚丙烯腈的氧化階段聚丙烯腈的氧

34、化階段 由于聚丙烯腈纖維在隔絕空氣的條件下加由于聚丙烯腈纖維在隔絕空氣的條件下加熱后要熔化，因此用聚丙烯睛來(lái)制造碳纖熱后要熔化，因此用聚丙烯睛來(lái)制造碳纖維時(shí)，就首先要把準(zhǔn)備好的原料纖維放在維時(shí)，就首先要把準(zhǔn)備好的原料纖維放在空氣中，或放在氧氣等氧化氣體中，在空氣中，或放在氧氣等氧化氣體中，在200300200300的溫度下加熱，這個(gè)過程叫氧化的溫度下加熱，這個(gè)過程叫氧化過程過程。氧化過程是纖維炭化的預(yù)備階段，。氧化過程是纖維炭化的預(yù)備階段，是保證纖維在炭化的高溫加熱過程中性能是保證纖維在炭化的高溫加熱過程中性能穩(wěn)定，不被熔化的關(guān)鍵工藝。穩(wěn)定，不被熔化的關(guān)鍵工藝。在氧化過程中，聚丙烯腈的顏色從白

35、色逐漸變成黃色、在氧化過程中，聚丙烯腈的顏色從白色逐漸變成黃色、棕色，最后變成黑色。在顏色變化的同時(shí)，聚丙烯腈的結(jié)構(gòu)棕色，最后變成黑色。在顏色變化的同時(shí)，聚丙烯腈的結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了變化，最后變成一種耐熱的中間鏈狀化合物纖維，也產(chǎn)生了變化，最后變成一種耐熱的中間鏈狀化合物纖維，這種纖維叫這種纖維叫“黑化纖維黑化纖維”。黑化纖維結(jié)構(gòu)中的鏈狀化合物和。黑化纖維結(jié)構(gòu)中的鏈狀化合物和石墨結(jié)構(gòu)中的六邊形環(huán)鏈相似，只是其中的每一個(gè)六邊形環(huán)石墨結(jié)構(gòu)中的六邊形環(huán)鏈相似，只是其中的每一個(gè)六邊形環(huán)上有一個(gè)碳原子被氮原子所取代。原料聚丙烯腈纖維是可燃上有一個(gè)碳原子被氮原子所取代。原料聚丙烯腈纖維是可燃的，用火一點(diǎn)就迅速燃

36、燒并收縮，經(jīng)氧化后的黑化纖維卻是的，用火一點(diǎn)就迅速燃燒并收縮，經(jīng)氧化后的黑化纖維卻是燒不著的，而且遇火也不象原料那樣收縮。經(jīng)過完全充分氧燒不著的，而且遇火也不象原料那樣收縮。經(jīng)過完全充分氧化后的纖維，含氧量在化后的纖維，含氧量在10%10%左右。左右。經(jīng)過加張氧化后制得的黑化纖維，與未氧化前的原料纖經(jīng)過加張氧化后制得的黑化纖維，與未氧化前的原料纖維相比，直徑收縮最多的可達(dá)維相比，直徑收縮最多的可達(dá)40%40%左右。此外，彈性模量有左右。此外，彈性模量有顯著增加，密度也增加了，這一切都表示纖維中的鏈狀分子顯著增加，密度也增加了，這一切都表示纖維中的鏈狀分子排列得更加緊密了。在氧化過程中對(duì)纖維施加

37、張力，是制造排列得更加緊密了。在氧化過程中對(duì)纖維施加張力，是制造高彈性模量、高強(qiáng)度碳纖維的關(guān)鍵。高彈性模量、高強(qiáng)度碳纖維的關(guān)鍵。 在纖維氧化并使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化的同時(shí)，還發(fā)生著纖維在纖維氧化并使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化的同時(shí)，還發(fā)生著纖維的分解。劇烈的氧化放熱和纖維分解時(shí)放出大量的熱，的分解。劇烈的氧化放熱和纖維分解時(shí)放出大量的熱，往往使纖維溫度高于爐溫，并使反應(yīng)難以控制，造成纖往往使纖維溫度高于爐溫，并使反應(yīng)難以控制，造成纖維氧化過頭，產(chǎn)生焦化，引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的缺陷。維氧化過頭，產(chǎn)生焦化，引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的缺陷。這些缺陷都將保留到碳化后的碳纖維中，降低碳纖維的這些缺陷都將保留到碳化后的碳纖維中，降低碳

38、纖維的質(zhì)量。所以，為了得到質(zhì)量較好的氧化纖維，必須嚴(yán)格質(zhì)量。所以，為了得到質(zhì)量較好的氧化纖維，必須嚴(yán)格控制反應(yīng)，采用較低的氧化溫度，讓纖維完全充分的氧控制反應(yīng)，采用較低的氧化溫度，讓纖維完全充分的氧化。也就是說，化。也就是說，纖維的氧化應(yīng)該在較低溫度下長(zhǎng)時(shí)間地纖維的氧化應(yīng)該在較低溫度下長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行進(jìn)行（一般要一、二十小時(shí)）。對(duì)原料纖維采用各種化（一般要一、二十小時(shí)）。對(duì)原料纖維采用各種化學(xué)催化的處理方法，可縮短纖維的氧化時(shí)間。學(xué)催化的處理方法，可縮短纖維的氧化時(shí)間。在氧化過程中，加熱時(shí)要給纖維在氧化過程中，加熱時(shí)要給纖維兩端加上張力兩端加上張力，以，以防止纖維在加熱過程中產(chǎn)生收縮，甚至還要使纖

39、維有所防止纖維在加熱過程中產(chǎn)生收縮，甚至還要使纖維有所伸長(zhǎng)。這樣，使最后得到的碳纖維具有很高的彈性模量伸長(zhǎng)。這樣，使最后得到的碳纖維具有很高的彈性模量和強(qiáng)度。和強(qiáng)度。黑化纖維的炭化階段黑化纖維的炭化階段 氧化后纖維的處理過程叫做炭化。經(jīng)過氧氧化后纖維的處理過程叫做炭化。經(jīng)過氧化后的纖維，隔絕空氣，放在真空或氮?dú)?、惰化后的纖維，隔絕空氣，放在真空或氮?dú)?、惰性氣體等保護(hù)氣體中繼續(xù)加熱，使纖維中的氫、性氣體等保護(hù)氣體中繼續(xù)加熱，使纖維中的氫、氮以及其它元素不斷逸出，直到約氮以及其它元素不斷逸出，直到約10001000左右，左右，就剩下了主要是由碳元素組成的碳纖維。因原就剩下了主要是由碳元素組成的碳纖

40、維。因原料和處理工藝的不同，碳纖維的含碳量在料和處理工藝的不同，碳纖維的含碳量在757595%95%之間。炭化階段主要是化學(xué)變化的階段。炭之間。炭化階段主要是化學(xué)變化的階段。炭化時(shí)保護(hù)氣氛的純度，及時(shí)排除裂變產(chǎn)物，掌化時(shí)保護(hù)氣氛的純度，及時(shí)排除裂變產(chǎn)物，掌握升溫速度的快慢等，對(duì)制得碳纖維的強(qiáng)度有握升溫速度的快慢等，對(duì)制得碳纖維的強(qiáng)度有很大的影響。很大的影響。 。 碳纖維的拉伸石墨化階段碳纖維的拉伸石墨化階段 經(jīng)過炭化后得到的碳纖維，在惰性氣體中再繼經(jīng)過炭化后得到的碳纖維，在惰性氣體中再繼續(xù)加熱到續(xù)加熱到2000以上，于是，就使其含碳量不斷以上，于是，就使其含碳量不斷增加（雜質(zhì)不斷被排除）；結(jié)構(gòu)

41、內(nèi)六邊形環(huán)網(wǎng)層增加（雜質(zhì)不斷被排除）；結(jié)構(gòu)內(nèi)六邊形環(huán)網(wǎng)層間距離不斷縮?。痪W(wǎng)層面積不斷擴(kuò)大；彈性模量間距離不斷縮小；網(wǎng)層面積不斷擴(kuò)大；彈性模量不斷增高；纖維的密度也不斷增加。最后，就得不斷增高；纖維的密度也不斷增加。最后，就得到了具有金屬光澤的高彈性模量、高強(qiáng)度的碳纖到了具有金屬光澤的高彈性模量、高強(qiáng)度的碳纖維維石墨纖維。這個(gè)處理過程叫做石墨化。石石墨纖維。這個(gè)處理過程叫做石墨化。石墨化也可以利用碳纖維的導(dǎo)電性能，以其自身作墨化也可以利用碳纖維的導(dǎo)電性能，以其自身作發(fā)熱體通電加熱來(lái)達(dá)到。石墨化程度主要取決于發(fā)熱體通電加熱來(lái)達(dá)到。石墨化程度主要取決于所達(dá)到的溫度。溫度愈高，石墨化程度愈完全，所達(dá)到

42、的溫度。溫度愈高，石墨化程度愈完全，經(jīng)過經(jīng)過30003000石墨化處理的石墨纖維，含碳量幾乎石墨化處理的石墨纖維，含碳量幾乎達(dá)到達(dá)到100100。用惰性氣體使用氬氣較合適。用惰性氣體使用氬氣較合適。 B、聚丙烯腈纖維制造碳纖維的工藝流程圖聚丙烯腈纖維制造碳纖維的工藝流程圖 腈綸纖維 氧 化 處 理 空氣中200300加張 炭 化 處 理 惰性氣體中10002000 碳 纖 維石 墨 化 處 理惰性氣體中2000以上 石墨纖維 應(yīng)用應(yīng)用C C、腈綸纖維制造碳纖維工藝的說明腈綸纖維制造碳纖維工藝的說明 根據(jù)加張方法的不同，碳纖維的生產(chǎn)方法可以分為根據(jù)加張方法的不同，碳纖維的生產(chǎn)方法可以分為兩種：兩

43、種：1 1）、一是）、一是框架法框架法。把纖維繞在一個(gè)剛性框架上，。把纖維繞在一個(gè)剛性框架上，然后送到氧化爐中加熱。用這種方法只能得到定長(zhǎng)的碳然后送到氧化爐中加熱。用這種方法只能得到定長(zhǎng)的碳纖維和石墨纖維，只可以用它來(lái)制造一些小型的部件。纖維和石墨纖維，只可以用它來(lái)制造一些小型的部件。2 2）、二是）、二是連續(xù)法連續(xù)法。把氧化、炭化和石墨化幾個(gè)階段連接。把氧化、炭化和石墨化幾個(gè)階段連接起來(lái)。原料纖維連續(xù)地在氧化爐內(nèi)經(jīng)過氧化階段，然后起來(lái)。原料纖維連續(xù)地在氧化爐內(nèi)經(jīng)過氧化階段，然后繼續(xù)進(jìn)入炭化爐中炭化，再進(jìn)入石墨爐中石墨化，直到繼續(xù)進(jìn)入炭化爐中炭化，再進(jìn)入石墨爐中石墨化，直到變成石墨纖維出爐。它

44、可以使纖維在處理過程中伸長(zhǎng)、變成石墨纖維出爐。它可以使纖維在處理過程中伸長(zhǎng)、收縮或保持原纖維的長(zhǎng)度不變，從而使有不同拉伸性能收縮或保持原纖維的長(zhǎng)度不變，從而使有不同拉伸性能的原料纖維，在氧化時(shí)都能達(dá)到最大許可拉伸程度。用的原料纖維，在氧化時(shí)都能達(dá)到最大許可拉伸程度。用這種方法生產(chǎn)出來(lái)的碳纖維是連續(xù)的。這種方法生產(chǎn)出來(lái)的碳纖維是連續(xù)的。三個(gè)階段反應(yīng)的時(shí)間很不相同。氧化階段需要三個(gè)階段反應(yīng)的時(shí)間很不相同。氧化階段需要420420小時(shí)；炭化階段需要小時(shí)；炭化階段需要0.520.52小時(shí)；而石墨化小時(shí)；而石墨化階段只需幾秒鐘至幾分鐘。近年來(lái)提出的一些方階段只需幾秒鐘至幾分鐘。近年來(lái)提出的一些方法，其區(qū)

45、別主要在氧化階段工藝。法，其區(qū)別主要在氧化階段工藝。 用聚丙烯腈纖維做原料來(lái)制造碳纖維，其優(yōu)點(diǎn)用聚丙烯腈纖維做原料來(lái)制造碳纖維，其優(yōu)點(diǎn)是這種原料纖維的結(jié)構(gòu)易于石墨化，并相對(duì)于其是這種原料纖維的結(jié)構(gòu)易于石墨化，并相對(duì)于其它原料來(lái)說，生產(chǎn)工藝也較簡(jiǎn)單。但這種原料纖它原料來(lái)說，生產(chǎn)工藝也較簡(jiǎn)單。但這種原料纖維在預(yù)氧化和炭化過程中會(huì)發(fā)生大量有毒的氰化維在預(yù)氧化和炭化過程中會(huì)發(fā)生大量有毒的氰化氫氣體。用鉑網(wǎng)作催化劑催化熱解氰化氫等來(lái)處氫氣體。用鉑網(wǎng)作催化劑催化熱解氰化氫等來(lái)處理有毒氣體，有良好的效果。理有毒氣體，有良好的效果。 （4 4）、用瀝青制造碳纖維）、用瀝青制造碳纖維石油瀝青經(jīng)過處理后拉出的石油

46、瀝青纖維，是制造石油瀝青經(jīng)過處理后拉出的石油瀝青纖維，是制造碳纖維的一種優(yōu)良原料。它的特點(diǎn)是價(jià)格便宜、原料來(lái)碳纖維的一種優(yōu)良原料。它的特點(diǎn)是價(jià)格便宜、原料來(lái)源豐富，源豐富，含碳量達(dá)含碳量達(dá)95%95%之多，而氫、氧、氮、硫等其它元之多，而氫、氧、氮、硫等其它元素只占素只占5%5%。因此一百千克石油瀝青纖維，炭化后能得到。因此一百千克石油瀝青纖維，炭化后能得到八十五千克以上的碳纖維，比用腈綸纖維做原料制得的八十五千克以上的碳纖維，比用腈綸纖維做原料制得的碳纖維要多將近一倍，而且所得到的碳纖維性能也高。碳纖維要多將近一倍，而且所得到的碳纖維性能也高。在用石油瀝青纖維制造碳纖維的過程中，對(duì)石油瀝在用

47、石油瀝青纖維制造碳纖維的過程中，對(duì)石油瀝青纖維要有一定的要求。其中要求青纖維要有一定的要求。其中要求“烯烴烯烴”類芳香族化類芳香族化合物的含量要高。然而，大多數(shù)石油瀝青里含的卻是性合物的含量要高。然而，大多數(shù)石油瀝青里含的卻是性質(zhì)不活潑的質(zhì)不活潑的“烷烴烷烴”。因此，這樣的石油瀝青要經(jīng)過一。因此，這樣的石油瀝青要經(jīng)過一系列的處理后才能用來(lái)紡成絲，而這些處理是比較麻煩系列的處理后才能用來(lái)紡成絲，而這些處理是比較麻煩的，這也是石油瀝青的一個(gè)缺點(diǎn)。的，這也是石油瀝青的一個(gè)缺點(diǎn)。 A A、石油瀝為原料制造碳纖維分下面幾個(gè)階段：石油瀝為原料制造碳纖維分下面幾個(gè)階段：蒸餾處理蒸餾處理石油瀝青原料在紡絲前都

48、要先經(jīng)過蒸餾處理（目的是提高它的熱穩(wěn)石油瀝青原料在紡絲前都要先經(jīng)過蒸餾處理（目的是提高它的熱穩(wěn)定性和軟化溫度）。定性和軟化溫度）。紡絲紡絲紡絲一般采用熔融紡絲法。這樣得到的石油瀝青纖維就可以用來(lái)制紡絲一般采用熔融紡絲法。這樣得到的石油瀝青纖維就可以用來(lái)制造碳纖維了。造碳纖維了。氧化處理氧化處理與用腈綸纖維的方法基本相同，首先也是進(jìn)行加張氧化處理，并且與用腈綸纖維的方法基本相同，首先也是進(jìn)行加張氧化處理，并且石油瀝青纖維的氧化處理要求在氧化能力更強(qiáng)的臭氧氣體中進(jìn)行，石油瀝青纖維的氧化處理要求在氧化能力更強(qiáng)的臭氧氣體中進(jìn)行，才能進(jìn)一步形成加熱穩(wěn)定的黑化纖維。才能進(jìn)一步形成加熱穩(wěn)定的黑化纖維。炭化處

49、理炭化處理把黑化纖維放在惰性氣體中加熱到把黑化纖維放在惰性氣體中加熱到10001000以上，就得到了性能優(yōu)良以上，就得到了性能優(yōu)良的碳纖維。的碳纖維。石墨化處理石墨化處理把碳纖維加熱到把碳纖維加熱到20002000以上，就得到了高彈性模量、高強(qiáng)度的石墨以上，就得到了高彈性模量、高強(qiáng)度的石墨纖維。纖維。B B、用石油瀝為原料制造碳纖維的說明用石油瀝為原料制造碳纖維的說明作為一般的工程材料，必須滿足三個(gè)條件：作為一般的工程材料，必須滿足三個(gè)條件：1 1）具有一些獨(dú)特的性能；）具有一些獨(dú)特的性能；2 2）在使用中的）在使用中的經(jīng)濟(jì)效果要好，有一個(gè)合適的價(jià)格；經(jīng)濟(jì)效果要好，有一個(gè)合適的價(jià)格；3 3）可

50、）可以工業(yè)化大量生產(chǎn)。以工業(yè)化大量生產(chǎn)。而用便宜的瀝青纖維而用便宜的瀝青纖維作原料，是解決今后碳纖維大量推廣應(yīng)用作原料，是解決今后碳纖維大量推廣應(yīng)用的重要途徑。目前的瀝青纖維成本最低，的重要途徑。目前的瀝青纖維成本最低，僅為用聚丙烯腈作原料制碳纖維的僅為用聚丙烯腈作原料制碳纖維的10%10%，而，而其性能已可滿足一般工業(yè)材料的要求。用其性能已可滿足一般工業(yè)材料的要求。用石油瀝為原料制造碳纖維，這是個(gè)發(fā)展方石油瀝為原料制造碳纖維，這是個(gè)發(fā)展方向。向。 （5 5）、活性炭纖維的制造）、活性炭纖維的制造制造制造活性炭纖維是以碳纖維為原料的一種活性炭纖維是以碳纖維為原料的一種高技術(shù)新產(chǎn)品。活性炭纖維亦

51、可理解為多高技術(shù)新產(chǎn)品。活性炭纖維亦可理解為多孔質(zhì)的碳纖維。它在上世紀(jì)孔質(zhì)的碳纖維。它在上世紀(jì)7070年代迅速發(fā)年代迅速發(fā)展，現(xiàn)已進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。展，現(xiàn)已進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。目前，用于制造活性炭纖維的原料主目前，用于制造活性炭纖維的原料主要有粘膠絲、聚丙烯睛纖維、酚醛纖維、要有粘膠絲、聚丙烯睛纖維、酚醛纖維、瀝青纖維和聚乙烯醇纖維。除聚乙烯醇基瀝青纖維和聚乙烯醇纖維。除聚乙烯醇基活性炭纖維尚處在研究開發(fā)階段外，其余活性炭纖維尚處在研究開發(fā)階段外，其余幾種均已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。幾種均已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。 各種活性炭纖維的比較各種活性炭纖維的比較 粘膠基粘膠基原料價(jià)格低廉，但收率低、溫原料價(jià)格低廉，但收率低、溫度低，面密度在度低，面密度在16001600m m2 2/g/g以下，生產(chǎn)工藝較繁復(fù)；以下，生產(chǎn)工藝較繁復(fù)； 聚丙烯腈基聚丙烯腈基面密度在面密度在15001500m m2 2/g/g以下，