碳纖維綜述性論文1

1、 碳纖維綜述性論文摘要：碳纖維是指由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，是纖維中含碳量在95%左右的碳纖維和含碳量在99%左右的石墨纖維。碳纖維是一種新型材料，本文主要論述了碳纖維的分類及性質(zhì)、生產(chǎn)、制造、加工，并論述了碳纖維的改性以及用途和發(fā)展前景等。關(guān)鍵詞：碳纖維、生產(chǎn)、加工、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢；前言：碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性

2、，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。 一、碳纖維的分類 按制作原料分：(1) 纖維素基（人造絲基）(2) 聚丙烯氰基 (3)瀝青基（各向同性、各向?qū)灾虚g相）。 按制造方法和條件分：(1) 碳纖維（炭化溫度在8001600時得到的碳纖維）(2) 石墨纖維（炭化溫度在20003000時得到的碳纖維）(3) 活性炭纖維 (4) 氣相生長纖維。 按性能分：(1) 一般型（GP，在通電部件、耐熱隔熱體、滑動部分、耐腐蝕材料等領(lǐng)域使用一般型。）(2) 高性能型（HP,其中高性能型分為高強(qiáng)型及高模型，通常大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域使用高性

3、能型）在通電部件、耐熱隔熱體、滑動部分、耐腐蝕材料等領(lǐng)域使用一般型。按狀態(tài)分：(1)長絲 (2)短纖維 (3)短切纖維。 二、碳纖維的性質(zhì)2.1碳纖維的物理性能 優(yōu)點(diǎn)：1）密度小，質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高。碳纖維的密度為1.52g/cm3，相當(dāng)于鋼密度的1/4，鋁合金密度的1/2。而其比強(qiáng)度比剛大16倍，比鋁合金大12倍。2）強(qiáng)度高。其拉伸強(qiáng)度可達(dá)30004000MPa，彈性比鋼大45倍，比鋁大67倍。3）彈性模量高。4）具有各向異性，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率隨溫度的升高而下降，耐驟冷、急熱，即使從幾千度的高溫突然降到常溫也不會炸裂。5） 導(dǎo)電性好，25時高模量纖維為775/cm，高強(qiáng)度纖維為1500/c

4、m。6）耐高溫和耐低溫性好。碳纖維可在2000下使用，在3000非氧化氣氛下不融化、不軟化。在-180低溫下，鋼鐵變得比玻璃脆，而碳纖維依舊很柔軟，也不脆化。 缺點(diǎn)：耐沖擊性較差，容易損傷。2.2碳纖維的化學(xué)性能 優(yōu)點(diǎn)：1）耐酸性能好，對酸呈惰性，能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介質(zhì)侵蝕。將碳纖維放在濃度為50%的鹽酸、硫酸、磷酸中，200天后其彈性模量、強(qiáng)度和直徑基本沒有變化；在50%濃度的硝酸中只是稍有膨脹，其耐腐蝕性能超過黃金和鉑金。 2）此外，還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和使中子減速等特性。 缺點(diǎn)：在強(qiáng)酸作用下發(fā)生氧化，與金屬復(fù)合時會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此

5、，碳纖維在使用前須進(jìn)行表面處理。三、碳纖維的制造及生產(chǎn) 碳纖維是不能用碳作原料制造的，工業(yè)上制造碳纖維是以有機(jī)纖維作原料，在沒有氧氣的情況下經(jīng)過高溫處理轉(zhuǎn)化而形成的。通常用以下幾種方法制得。（1）用纖維素制造碳纖維，一般是以人造絲做原料。（2) 用聚丙烯氰纖維制造碳纖維，以純粹的丙烯氰聚合而成，再經(jīng)過特殊工藝得到連續(xù)纖維作原料。 粘膠基碳纖維的生產(chǎn)：生產(chǎn)時，首先將纖維置于氮等惰性氣體中作低溫（400度以下）穩(wěn)定化處理，進(jìn)行預(yù)氧化，然后在400度以上實(shí)現(xiàn)芳構(gòu)化過程，獲得石墨類結(jié)構(gòu)，從而形成碳纖維和石墨纖維。這樣一個熱解碳化處理過程在五個溫度階段中實(shí)現(xiàn)。 第一階段：升溫至50150度，排出吸附水。

6、 第二階段：升溫至150240度，纖維素環(huán)上的羥基將以水的形式脫除。 第三階段：升溫至240400度，鍵斷裂，生成水，CO,CO2，達(dá)到400度時，整個纖 維素破壞，生成C4殘鏈。 第四階段：升溫至400700度，通過芳構(gòu)生成碳的六元環(huán)，同時釋放氫和甲烷等，再升溫至9001600度，即生成石墨類結(jié)構(gòu)，形成碳纖維。 第五階段：溫度再升高，即形成沿纖維軸取向的亂層石墨成片，在溫度升高至22002800度的石墨化溫度時，形成石墨纖維，利用塑性拉伸，可使纖維的拉伸強(qiáng)度和初始模量大幅度提高。四、碳纖維的加工4.1原絲的選擇條件： 強(qiáng)度高，雜質(zhì)少，纖度均勻，細(xì)旦化等。加熱時不熔融，可牽伸，且CF產(chǎn)率高。常

7、用的CF原絲：聚丙烯腈纖維、粘膠纖維、瀝青纖維。4.2碳纖維的加工方法碳元素的各種同素異形體(金剛石、石墨、非晶態(tài)的各種過渡態(tài)碳)，根據(jù)形態(tài)的不同，在空氣中在350以上的高溫中就會不同程度的氧化；在隔絕空氣的惰性氣氛中(常壓下)，元素碳在高溫下不會熔融，但在3800K以上的高溫時不經(jīng)液相，直接升華，所以不能熔紡。碳在各種溶劑中不溶解，所以不能溶液紡絲。碳纖維不能用熔融法或溶液法直接紡絲，只能以有機(jī)纖維為原料，采用間接方法來制造。通常用有機(jī)物的炭化來制取碳纖維，即聚合預(yù)氧化、炭化原料單體原絲一預(yù)氧化絲一碳纖維。碳纖維的品質(zhì)取決于原絲，其生產(chǎn)工藝決定了碳纖維的優(yōu)劣。以聚丙烯腈(PAN) 纖維為原料

8、，干噴濕紡和射頻法新工藝正逐步取代傳統(tǒng)的碳纖維制備方法(干法和濕法紡絲)。4.2.1干噴濕紡法 干噴濕紡法即干濕法，是指紡絲液經(jīng)噴絲孔噴出后，先經(jīng)過空氣層(亦叫干段)，再進(jìn)入凝固浴進(jìn)行雙擴(kuò)散、相分離和形成絲條的方法。經(jīng)過空氣層發(fā)生的物理變化有利于形成細(xì)特化、致密化和均質(zhì)化的絲條。紡出的纖維體密度較高，表面平滑無溝槽，且可實(shí)現(xiàn)速紡絲，用于生產(chǎn)高性能、 高質(zhì)量的碳纖維原絲。干噴濕紡裝置常為立式噴絲機(jī)，從噴絲板噴出的紡絲液細(xì)流經(jīng)空氣段(干段) 后進(jìn)入凝固浴，完成干噴濕紡過程；再經(jīng)導(dǎo)向輥、 離浴輥引入的絲條經(jīng)后處理得到PAN纖維。 4.2.2射頻法 PAN原絲經(jīng)過預(yù)氧化(200350，射頻負(fù)壓軟等離子

9、法)、碳化(800 1200，微波加熱法)到石墨化(2400 2600，射頻加熱法)，主要受到牽伸狀態(tài)下的溫度控制。在這一形成過程中達(dá)到纖維定型、碳元素富集，分子結(jié)構(gòu)從聚丙烯腈高分子結(jié)構(gòu)一亂層的石墨結(jié)構(gòu)一三維有序的石墨結(jié)構(gòu)。 國內(nèi)有自主知識產(chǎn)權(quán)的“射頻法碳纖維石墨化生工藝”開辟了碳纖維生產(chǎn)的創(chuàng)新之路，它采用射頻負(fù)壓軟等離子法預(yù)氧化 PAN原絲，接著用微波加熱法碳化，最后用射頻加熱法石墨化形成小絲束碳纖維。 4.3 碳纖維的加工過程碳纖維的生產(chǎn)制造過程基本相仿 ,主要有預(yù)氧化(即穩(wěn)定化) 、低溫碳化、高溫碳化(又稱石墨化) 、表面處理、 上漿和干燥等六大工藝步驟。目前生產(chǎn)的高強(qiáng)、高模CF主要是用

10、PAN纖維為原料來制造的。以PAN為原絲制造CF為例，其基本工藝流程為：五、碳纖維的改性5.1 表面改性的原因由于碳纖維表面惰性大、表面能低，缺乏有化學(xué)活性的官能團(tuán)，反應(yīng)活性低，與基體的粘結(jié)性差，界面中存在較多的缺陷，直接影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能，限制了碳纖維高性能的發(fā)揮，因此可以通過表面改性提高其浸潤性和粘結(jié)性。5.2 表面改性機(jī)理 （1）表面粗糙度(增加表面粗糙度有利于碳纖維與基體樹脂的機(jī)械嵌合)。 （2）石墨微晶大小(微晶越小，活性碳原子的數(shù)目就越多，越有利于纖維與樹脂的粘合)。 （3）碳纖維表面官能團(tuán)種類與數(shù)量(官能團(tuán)如-OH)，經(jīng)表面處理后，碳纖維表面石墨微晶變細(xì)，不飽和碳原子數(shù)目增

11、加，極性基團(tuán)增多，這些都有利于復(fù)合材料性能改善。5.3 碳纖維的氧化處理方法（1）氣相氧化法 氣相氧化使用的氧化劑有空氣、氧氣、臭氧等含氧氣體。氧化處理后，碳纖維表面積增大，官能基團(tuán)增多，可以提高復(fù)合材料界面的粘接強(qiáng)度和材料的力學(xué)性能。如把碳纖維在450下空氣中氧化10min，所制備的復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都有提高；采用濃度0.5-15mg/L的臭氧連續(xù)導(dǎo)入碳纖維表面處理爐對碳纖維進(jìn)行表面處理，經(jīng)處理后碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度可達(dá)78.4-105.8MPa。(2)液相氧化法 液相氧化處理對改善碳纖維/樹脂復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度很有效。硝酸、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉、過氧化氫和過硫酸鉀等

12、都可以用于對碳纖維進(jìn)行表面處理。硝酸是液相氧化中研究較多的一種氧化劑，用硝酸氧化碳纖維，可使其表面產(chǎn)生羧基、羥基和酸性基團(tuán)，利于提高纖維與基體材料之間的結(jié)合力。(3）電化學(xué)氧化電化學(xué)氧化處理利用了碳纖維的導(dǎo)電性，一般是將碳纖維作為陽極置于電解質(zhì)溶液中。機(jī)理是通過電解所產(chǎn)生的活性氧來氧化碳纖維表面而引入極性基團(tuán)，從而改善纖維的浸潤、粘敷特性及與基體的鍵合狀況，顯著增加碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。碳纖維表面氧化狀況可以通過改變反應(yīng)溫度、電解質(zhì)濃度、處理時間和電流密度等條件來進(jìn)行控制。六、碳纖維的作用及應(yīng)用領(lǐng)域6.1 碳纖維的作用 （1）有超強(qiáng)吸附能力，對有害化學(xué)物質(zhì)和氣體能起到吸收、分解異味的作用，

13、碳元素能自動調(diào)節(jié)濕度。 （2）碳元素還在常溫下可以釋放負(fù)離子和遠(yuǎn)紅外線，并能有效減弱磁波輻射等功能。 （3）凈化床墊自身，吸盡人體汗液在床墊上殘留形成的潮濕，分解具有自潔功能創(chuàng)造一個潔凈的睡眠空間。6.2 碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域 碳纖維是發(fā)展國防軍工與國民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資，屬于技術(shù)密集型的關(guān)鍵材料，隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸普及。在當(dāng)今世界高速工業(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化。中國已經(jīng)有使用長纖作為高性能纖維的一種，在要求高溫，物理穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復(fù)合材料具備不可替代的優(yōu)勢。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛

14、度愈大，正是由于兼具優(yōu)異性能，碳纖維在國防和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。6.2.1 復(fù)合材料 碳纖維在傳統(tǒng)使用中除用作絕熱保溫材料外。多作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維已成為先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料。由于碳纖維復(fù)合材料具有輕而強(qiáng)、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計(jì)性好、可大面積整體成型等特點(diǎn)，已在航空航天、國防軍工和民用工業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是制造先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料。6.2.2 土木建筑 土木建筑領(lǐng)域：碳纖維也應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑物、鐵路公路橋梁、隧道、煙

15、囪、塔結(jié)構(gòu)等的加固補(bǔ)強(qiáng)，在鐵路建筑中，大型的頂部系統(tǒng)和隔音墻在未來會有很好的應(yīng)用，這些也將是碳纖維很有前景的應(yīng)用方面。具有密度小， 強(qiáng)度高， 耐久性好， 抗腐蝕能力強(qiáng)， 可耐酸、堿等化學(xué)品腐蝕，柔韌性佳，應(yīng)變能力強(qiáng)的特點(diǎn)。用碳纖維管制作的桁梁構(gòu)架屋頂， 比鋼材輕50%左右，使大型結(jié)構(gòu)物達(dá)到了實(shí)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，碳纖維做補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)時，不需要增加螺栓和鉚釘固定，對原混凝土結(jié)構(gòu)擾動較小，施工工藝簡便。6.2.3 航空航天 碳纖維是火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰(zhàn)略基礎(chǔ)材料。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)略導(dǎo)彈的彈體和發(fā)動機(jī)殼體上，可大大

16、減輕重量，提高導(dǎo)彈的射程和突擊能力，碳纖維比鋁輕但強(qiáng)度相似。由于使用碳纖維材料可以大幅降低結(jié)構(gòu)重量，因而可顯著提高燃料效率。采用碳纖維與塑料制成的復(fù)合材料制造的飛機(jī)以及衛(wèi)星、火箭等宇宙飛行器，噪音小，而且因質(zhì)量小而動力消耗少，可節(jié)約大量燃料。6.2.4 汽車材料 碳纖維材料也成為汽車制造商青睞的材料，在汽車內(nèi)外裝飾中開始大量采用。碳纖維作為汽車材料，最大的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，重量僅相當(dāng)于鋼材的20%到30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。所以汽車制造采用碳纖維材料可以使汽車的輕量化，取得突破性進(jìn)展，并帶來節(jié)省能源的社會效益。雖然碳纖維的看起來像塑料，但實(shí)際上這種材料抗沖擊性比鋼鐵強(qiáng)，特別是用碳纖

17、維做成的方向盤，機(jī)械強(qiáng)度和抗沖性更高。6.2.5 纖維加固 碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種?，F(xiàn)有建筑中有相當(dāng)一部分由于當(dāng)時設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低造成歷史遺留問題，一些建筑由于使用功能的改變，難以滿足當(dāng)前規(guī)范使用的需求，亟需進(jìn)行維修、加固。常用的加固方法有很多，如：加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、碳纖維加固法等。碳纖維加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是繼加大混凝土截面、粘鋼之后的又一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。由于中國具有世界上最為巨大的土木建筑市場，碳纖維加固建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將呈現(xiàn)不斷增長的的趨勢。6.2.6 體育用品 碳纖維在運(yùn)用在運(yùn)動休閑領(lǐng)域中，像球桿、釣魚竿、網(wǎng)球拍羽毛球拍、自行車、滑雪杖、滑雪板、

18、帆板桅桿、航海船體等運(yùn)動用品都是碳纖維的主要用戶之一。七、碳纖維的發(fā)展趨勢7.1 國外碳纖維的發(fā)展趨勢 自從碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)以來，世界各國都特別重視其應(yīng)用開發(fā)。隨著價格不斷降低，其應(yīng)用范圍從滿足性能要求高的航空、航天領(lǐng)域逐步向文體和民用領(lǐng)域推廣。目前，纖維的市場需求在北美、歐洲、亞洲基本上呈鼎足之勢。按應(yīng)用領(lǐng)域劃分，世界聚丙烯腈基碳纖維主要用于宇航、文體休閑用品、其它工業(yè)等領(lǐng)域，其總體消費(fèi)比例分別為25.2%，31.4%，43.4%，不同地區(qū)各有側(cè)重。 由于碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、設(shè)計(jì)性好、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好、抗疲勞斷裂性好和可大面積整體成型，以及特殊的電磁性能和吸波隱身的特點(diǎn)，目前已大量用

19、于生產(chǎn)軍用、民用飛機(jī)以及戰(zhàn)略導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭上，需求量穩(wěn)步增長。 由此可見，當(dāng)前世界碳纖維有如下發(fā)展趨勢：產(chǎn)品性能趨向于高性能化；價格將大幅度降低；航天航空和文體用品領(lǐng)域用量穩(wěn)定增加，民用工業(yè)用量增幅較大，已超過前兩者。特別是隨著大絲束碳纖維的大規(guī)模生產(chǎn)，其價格將不斷降低，民用工業(yè)用量將繼續(xù)保持大幅度增加的趨勢。7.2 國內(nèi)碳纖維的發(fā)展趨勢 盡管我國碳纖維生產(chǎn)發(fā)展緩慢，但消費(fèi)量卻與日俱增，市場需求旺盛，主要集中在文體用品和航空航天方面，一般產(chǎn)業(yè)需求增長也比較迅速。近年來，隨著市場需求的增加，特別是國防、軍工、航天航空、體育用品方面的需求增加，每年主要依靠從國外進(jìn)口碳纖維以滿足要求，據(jù)統(tǒng)計(jì)2002-2013年國內(nèi)碳纖維消費(fèi)年均增長率超過20%，目前國內(nèi)的市場需求量約為2500t/a，主要依靠進(jìn)口。國內(nèi)碳纖維主要應(yīng)用領(lǐng)域見表。類別 應(yīng)用領(lǐng)域成熟市場航空、航天及國防領(lǐng)域：飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈、雷達(dá)等 體育休閑品：高爾夫球、漁具、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、箭桿、自行車、賽艇等新興市場碳纖維基增強(qiáng)工程塑料、壓力容器、建筑補(bǔ)強(qiáng)、風(fēng)力發(fā)電葉片、摩擦材料、深海油田的鉆進(jìn)平臺等待開發(fā)市場汽車零部件、