碳纖維

含碳量在90%以上的高強度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首。用腈綸和粘膠纖維做原料，經高溫氧化碳化而成。是製造航天航空等高技術器材的優良材料。

基本介紹

• 中文名：碳纖維
• 外文名：carbon fiber 
• 性質：一維結構炭材料
• 特點：有一定的活性
• 類型：PAN基、粘膠絲基等

介紹

由碳元素組成的一種特種纖維。具有耐高溫、抗摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性 外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由於其石墨微晶結構沿纖維軸擇優取向，因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等複合，製造先進複合材料。碳纖維增強環氧樹脂複合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是最高的。

簡史

1879年愛迪生曾用纖維素纖維，如竹、亞麻或棉紗為原料，首先製得炭纖維並獲得專利，但當時製得的纖維力學性能很低，工藝也不能工業化，未能獲得發展。

20世紀50年代初，由於火箭、航天及航空等尖端技術的發展，迫切需要比強度、比模量高和耐高溫的新型材料，另一方面，採用前驅纖維為原料經熱處理的工藝可製得炭纖維連續長絲，這一工藝奠定了炭纖維工業化的基礎。40多年來，炭纖維經歷的重大技術進展如下：

20世紀50年代初，美國Wright-Patterson空軍基地以黏膠纖維為原料，試製炭纖維成功，產品作火箭噴管和鼻錐的燒蝕材料，效果很好。1956年美國聯合碳化物公司試製高模量黏膠基炭纖維成功，商品名“Thornel—25”投放市場，同時開發了應力石墨化的技術，提高炭纖維的強度與模量。

20世紀60年代初，日本進藤昭男發明了以聚丙烯腈(PAN)纖維為原料製取炭纖維的方法，並取得了專利。1963年日本碳公司及東海電極公司用進藤的專利開發聚丙烯腈基炭纖維。1965年日本碳公司工業化生產普通型聚丙烯腈基炭纖維成功。1964年英國皇家航空研究中心(RAE)通過在預氧化時加張力試製出高性能聚丙烯腈基炭纖維。由Courtaulds公司，Hercules公司和Rolls—Royce公司採用RAE的技術進行工業化生產。

1965年日本大谷杉郎首先製成了聚氯乙烯瀝青基炭纖維，並發表了先驅性的瀝青基炭纖維的研究報告。

1969年日本碳公司開發高性能聚丙烯腈基炭纖維獲得成功。1970年日本東麗(Toray Textile Inc.)公司依靠先進的聚丙烯腈原絲技術，並與美國聯合 碳化物公司交換炭化技術，開發高性能聚丙烯腈基炭纖維。1971年東麗公司將高性能聚丙烯腈基炭纖維產品(Torayca)投放市場。隨後產品的性能、品種、產量不斷發展，至今仍處於世界領先地位。此後，日本東邦、旭化成、三菱人造絲及住友公司等相繼投入聚丙烯腈基炭纖維的生產行列。(見聚丙烯腈基炭纖維)

1970年日本吳羽化學工業公司採用大谷杉郎的專利，首先建成年產120t普通型(GPCF)瀝青基炭纖維的生產廠，1978年產量增到240t。該產品被用作水泥增強材料後，發現效果很好，1984年產量增至400 t，1986年再次增加到900 t。1976年美國聯合碳化物公司生產高性能中間相瀝青基炭纖維(HPCF)成功，年產量為113 t，1982年增至230 t，1985年增至311 t。

1982年起，日本東麗、東邦、日本碳公司、美國Hercules、Celanese公司、英國Courtaulds公司等，先後生產出高強、超高強、高模量、超高模量、高強中模以及高強高模等類型高性能產品，炭纖維拉伸強度從3.5 GPa提高到5.5 GPa，小規模產品達7.0 GPa。模量從230 GPa提高到600 GPa，這是炭纖維工藝技術的重大突破，使套用開發進入一個新的高水平階段。

1981年起瀝青科學取得重大進展，開發出幾種調製中間相瀝青的新工藝，如日本九州工業試驗所的預中間相法，美國EXXON公司的新中間相法，日本群馬大學開發的潛在中間相法，促進了高性能瀝青基炭纖維的開發。隨後日本三菱化成化學公司、大阪煤氣公司、新日鐵公司陸續建成一批不同規格的高性能炭纖維生產廠。其特點是模量增高的同時也增高強度。20世紀80年代是瀝青基炭纖維的興旺發展時期。

黏膠基炭纖維自20世紀60年代中期以後沒有發展，僅生產少量產品供軍工及特種部門使用。

工藝

現代炭纖維工業化的路線是前驅纖維炭化工藝法，所用3種原料纖維的組成、碳含量等見表。

製造炭纖維用的原纖維名 稱化學組分碳含量/%炭纖維收率/%黏膠纖維(C6H10O5)n4521～35聚丙烯腈纖維(C3H3N)n6840～55瀝青纖維C，H9580～90

採用這3種原纖維製造炭纖維的流程都包括：穩定化處理(在200～400℃空氣，或用耐燃試劑等化學處理)，炭化(400～1400℃，氮氣)和石墨化(1800℃以上，氬氣氣氛下)。為了提高炭纖維與複合材料基質的粘接性能需進行表面處理、上漿、乾燥等工序。

另一種製造炭纖維的方法是氣相生長法。將甲烷與氫的混合氣體在催化劑的存在下，於1000℃高溫下反應，可製得不連續的短切炭纖維，最大長度可達50 cm。其結構不同於聚丙烯腈基或瀝青基炭纖維，易石墨化，力學性能良好，導電性高，易形成層間化合物。(見氣相生長炭纖維)

分類及命名

現在炭纖維的主要產品有聚丙烯腈基，瀝青基及黏膠基3大類，每一類產品又因原纖維種類、工藝及最終炭纖維性能等不同，又分成許多品種。“炭纖維”一詞實際上是多種炭纖維的總稱，因此分類及命名就十分重要。

20世紀70年代末期，國際理論與套用化學聯合會(IUPAC)曾對炭纖維的分類和命名作了規定。首先用PAN(聚丙烯腈)，MP(中間相瀝青)及VS(黏膠)表示炭纖維的類別，再以小寫英文字母表示熱處理溫度如lht(表示熱處理溫度，低於1400℃)，hht(熱處理溫度在2000℃以上)，然後再加上表示性能的符號(如HT表示高強、HM高模、SHT超高強、HTHS高強高應變、IM中模及UHM超高模等)。同時指出，聚丙烯腈基，黏膠基及普通型瀝青基炭纖維均屬難石墨化的聚合物炭，而中間相瀝青基炭纖維及氣相生長的炭纖維是易石墨化炭。

在第三次國際炭纖維會議上(1985年，倫敦)。曾建議按力學性能將炭纖維分成下列5級。

超高模量級(UHM):　 模量在395 GPa以上；

高模量級(HM):　模量在310～395 GPa間；

中模量級(IM):　模量在255～310 GPa間；

超高強度級(UHT):　 強度在3.5 GPa以上

模量在255 GPa以下；

高強度級(HT):　強度達3.5 GPa。

這兩種分級法都有不足之處。現在高性能炭纖維產品分類由製造商自行標明：原纖維種類、單絲孔數、直徑、排列方式(如平行、纏結、加捻等)，有無表面處理(及其種類)，有無上漿(及漿劑種類)等。一些重要的高性能商品名稱及性能，可見聚丙烯腈基炭纖維和瀝青基炭纖維。

發展展望

20世紀90年代初，高性能及超高性能炭纖維已問世，預料今後工作將致力於完善工藝、擴大生產、降低成本和開發套用。一些特種炭纖維，如抗氧化炭纖維(以提高複合材料的使用溫度)、低纖度炭纖維(做0.035 mm超薄型預浸帶用)、高導熱低電阻炭纖維(以滿足禁止電磁、射頻干擾用，並可散發多餘的熱能)、低熱膨脹係數炭纖維(供衛星天線系統、反射鏡等用)，中空炭纖維(用於飛機製造工業，提高複合材料的衝擊韌性，核反應堆中的高溫過濾介質，分離生物分子血清和血漿用的介質)和活性炭纖維，隨著科學及工程的發展會有很大發展。氣相生長炭纖維近期內在穩定工藝 ，連續化生產方面會有明顯進展，工業化生產的日期預料不會太遠。