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介紹

由(you)碳(tan)(tan)元(yuan)素(su)組成的一種特(te)種纖(xian)(xian)維(wei)。具(ju)有(you)耐高(gao)(gao)溫、抗摩(mo)擦、導電、導熱及(ji)耐腐蝕等特(te)性(xing)外形(xing)呈纖(xian)(xian)維(wei)狀、柔軟、可加工成各種織物，由(you)于其石墨(mo)微晶結(jie)構沿纖(xian)(xian)維(wei)軸(zhou)擇優取向(xiang)，因此(ci)沿纖(xian)(xian)維(wei)軸(zhou)方向(xiang)有(you)很(hen)高(gao)(gao)的強度(du)和模(mo)量。碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)的密(mi)度(du)小，因此(ci)比(bi)(bi)強度(du)和比(bi)(bi)模(mo)量高(gao)(gao)。碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)的主要用途(tu)是作為增強材(cai)料與樹(shu)脂(zhi)、金屬、陶瓷及(ji)炭(tan)等復合(he)，制造(zao)先進(jin)復合(he)材(cai)料。碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)增強環氧樹(shu)脂(zhi)復合(he)材(cai)料，其比(bi)(bi)強度(du)及(ji)比(bi)(bi)模(mo)量在現(xian)有(you)工程(cheng)材(cai)料中是最高(gao)(gao)的。

簡史

1879年愛(ai)迪生曾(ceng)用(yong)纖維(wei)素纖維(wei)，如竹、亞麻(ma)或棉(mian)紗(sha)為原料，首先制得(de)(de)碳纖維(wei)并獲得(de)(de)專利(li)，但(dan)當時(shi)制得(de)(de)的纖維(wei)力學(xue)性能(neng)很(hen)低，工(gong)藝(yi)也(ye)不能(neng)工(gong)業化，未(wei)能(neng)獲得(de)(de)發展。

20世紀50年(nian)代初，由于火箭、航天(tian)及航空等尖(jian)端技術的發展，迫切(qie)需要比(bi)強度、比(bi)模(mo)量高和耐高溫(wen)的新型材料，另(ling)一(yi)方面，采用(yong)前驅纖維(wei)為原料經熱(re)處理的工藝可制得碳纖維(wei)連(lian)續長(chang)絲，這一(yi)工藝奠定了碳纖維(wei)工業化(hua)的基礎。40多年(nian)來，碳纖維(wei)經歷的重大技術進展如(ru)下：

20世(shi)紀50年代初，美國Wright-Patterson空軍基地以黏膠纖(xian)(xian)維為原料(liao)，試制碳(tan)纖(xian)(xian)維成功(gong)，產品(pin)作火箭(jian)噴管和鼻(bi)錐的(de)燒蝕材料(liao)，效果很好。1956年美國聯(lian)合碳(tan)化(hua)物公司試制高模量黏膠基碳(tan)纖(xian)(xian)維成功(gong)，商品(pin)名“Thornel—25”投放市場，同(tong)時開發了應力石墨化(hua)的(de)技術，提高碳(tan)纖(xian)(xian)維的(de)強度(du)與模量。

20世紀60年(nian)(nian)代初(chu)，日本進藤(teng)昭男(nan)發(fa)(fa)明了(le)以(yi)聚(ju)丙(bing)烯(xi)(xi)腈(jing)(PAN)纖維為原料制(zhi)取碳(tan)纖維的方法，并取得了(le)專利。1963年(nian)(nian)日本碳(tan)公司(si)(si)(si)及(ji)東海電極公司(si)(si)(si)用進藤(teng)的專利開發(fa)(fa)聚(ju)丙(bing)烯(xi)(xi)腈(jing)基(ji)(ji)(ji)碳(tan)纖維。1965年(nian)(nian)日本碳(tan)公司(si)(si)(si)工業(ye)化(hua)(hua)生產普通(tong)型聚(ju)丙(bing)烯(xi)(xi)腈(jing)基(ji)(ji)(ji)碳(tan)纖維成功。1964年(nian)(nian)英國皇家航(hang)空研究中心(xin)(RAE)通(tong)過在預氧化(hua)(hua)時(shi)加(jia)張力試制(zhi)出高(gao)性能聚(ju)丙(bing)烯(xi)(xi)腈(jing)基(ji)(ji)(ji)碳(tan)纖維。由Courtaulds公司(si)(si)(si)，Hercules公司(si)(si)(si)和Rolls—Royce公司(si)(si)(si)采用RAE的技術進行工業(ye)化(hua)(hua)生產。

1965年日本大谷杉郎首先(xian)制成了(le)聚氯乙烯瀝青(qing)基(ji)碳(tan)(tan)纖維，并發表了(le)先(xian)驅性的瀝青(qing)基(ji)碳(tan)(tan)纖維的研究報(bao)告。

1969年(nian)日本碳(tan)(tan)公(gong)司(si)(si)開發(fa)(fa)高性能(neng)聚(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)(jing)(jing)基(ji)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維獲(huo)得成功。1970年(nian)日本東麗(li)(Toray Textile Inc.)公(gong)司(si)(si)依靠先進的(de)聚(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)(jing)(jing)原絲(si)技術(shu)，并與(yu)美(mei)國聯合碳(tan)(tan)化(hua)物公(gong)司(si)(si)交(jiao)換(huan)碳(tan)(tan)化(hua)技術(shu)，開發(fa)(fa)高性能(neng)聚(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)(jing)(jing)基(ji)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維。1971年(nian)東麗(li)公(gong)司(si)(si)將高性能(neng)聚(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)(jing)(jing)基(ji)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維產品(Torayca)投放市場。隨后(hou)產品的(de)性能(neng)、品種、產量(liang)不斷發(fa)(fa)展，至今仍處于(yu)世界領先地位。此后(hou)，日本東邦、旭化(hua)成、三菱(ling)人(ren)造絲(si)及住友公(gong)司(si)(si)等(deng)相繼(ji)投入聚(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)(jing)(jing)基(ji)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維的(de)生產行列。(見聚(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)(jing)(jing)基(ji)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維)

1970年(nian)日本吳羽化(hua)學工業公司采(cai)用(yong)大谷(gu)杉郎的專利(li)，首先建成年(nian)產(chan)120t普通型(GPCF)瀝青基(ji)碳(tan)纖維的生產(chan)廠，1978年(nian)產(chan)量增到(dao)240t。該產(chan)品被(bei)用(yong)作水泥增強材(cai)料后，發現效果很好(hao)，1984年(nian)產(chan)量增至(zhi)400t，1986年(nian)再次增加到(dao)900t。1976年(nian)美(mei)國聯合碳(tan)化(hua)物公司生產(chan)高性能中間(jian)相(xiang)瀝青基(ji)碳(tan)纖維(HPCF)成功，年(nian)產(chan)量為113t，1982年(nian)增至(zhi)230t，1985年(nian)增至(zhi)311t。

1982年(nian)起，日本東麗、東邦、日本碳(tan)公司、美國Hercules、Celanese公司、英國Courtaulds公司等，先后(hou)生產出高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)、超(chao)高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)、高(gao)(gao)(gao)模(mo)(mo)量、超(chao)高(gao)(gao)(gao)模(mo)(mo)量、高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)中模(mo)(mo)以及高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)高(gao)(gao)(gao)模(mo)(mo)等類型高(gao)(gao)(gao)性能產品，碳(tan)纖(xian)維拉(la)伸(shen)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)從(cong)3.5GPa提(ti)高(gao)(gao)(gao)到5.5GPa，小(xiao)規模(mo)(mo)產品達7.0GPa。模(mo)(mo)量從(cong)230GPa提(ti)高(gao)(gao)(gao)到600 GPa，這是碳(tan)纖(xian)維工藝(yi)技術的重大突破，使應(ying)用開發進(jin)入(ru)一個新的高(gao)(gao)(gao)水平階段。

1981年(nian)起瀝青(qing)科學取得重大進(jin)展(zhan)，開發出幾種調(diao)制中(zhong)間相(xiang)(xiang)瀝青(qing)的(de)(de)新(xin)工藝，如日本九州工業試驗所(suo)的(de)(de)預(yu)中(zhong)間相(xiang)(xiang)法(fa)，美國EXXON公(gong)(gong)司的(de)(de)新(xin)中(zhong)間相(xiang)(xiang)法(fa)，日本群(qun)馬(ma)大學開發的(de)(de)潛在中(zhong)間相(xiang)(xiang)法(fa)，促(cu)進(jin)了高(gao)性(xing)能瀝青(qing)基碳(tan)纖(xian)維(wei)的(de)(de)開發。隨后日本三菱化成(cheng)化學公(gong)(gong)司、大阪煤(mei)氣公(gong)(gong)司、新(xin)日鐵公(gong)(gong)司陸續(xu)建成(cheng)一批(pi)不同規格的(de)(de)高(gao)性(xing)能碳(tan)纖(xian)維(wei)生產(chan)廠。其特點是(shi)模量增(zeng)高(gao)的(de)(de)同時(shi)也增(zeng)高(gao)強度。20世紀80年(nian)代(dai)是(shi)瀝青(qing)基碳(tan)纖(xian)維(wei)的(de)(de)興旺(wang)發展(zhan)時(shi)期。

黏膠基碳纖(xian)維自(zi)20世紀(ji)60年代(dai)中(zhong)期以(yi)后沒有(you)發展，僅生產少量產品供軍工及(ji)特(te)種部門使用(yong)。

工藝

現(xian)代碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)工業化的路(lu)線是前驅纖(xian)維(wei)(wei)炭化工藝法，所用3種原(yuan)料纖(xian)維(wei)(wei)的組成、碳(tan)含(han)量等(deng)見表。

制造碳(tan)纖維(wei)用(yong)的原纖維(wei)名稱(cheng)化學組(zu)分碳(tan)含量/%碳(tan)纖維(wei)收率/%黏膠纖維(wei)(C6H10O5)n4521～35聚丙烯腈纖維(wei)(C3H3N)n6840～55瀝(li)青纖維(wei)C，H9580～90

采用這3種原纖維(wei)制造炭纖維(wei)的(de)流程都包括：穩定化(hua)處(chu)理(li)(在(zai)200～400℃空(kong)氣(qi)，或(huo)用耐燃試劑等化(hua)學(xue)處(chu)理(li))，碳化(hua)(400～1400℃，氮(dan)氣(qi))和石(shi)墨化(hua)(1800℃以上(shang)(shang)，氬氣(qi)氣(qi)氛下)。為了提高炭纖維(wei)與復合材料基質的(de)粘(zhan)接性能需進行表面處(chu)理(li)、上(shang)(shang)漿、干燥等工序。

另一種制(zhi)造碳(tan)纖(xian)(xian)維的(de)方法(fa)是氣相生(sheng)長法(fa)。將甲烷與氫的(de)混合氣體(ti)在(zai)催化劑(ji)的(de)存(cun)在(zai)下，于1000℃高溫下反應，可制(zhi)得(de)不(bu)連(lian)續的(de)短(duan)切碳(tan)纖(xian)(xian)維，最大(da)長度可達50cm。其結(jie)構不(bu)同于聚丙(bing)烯(xi)腈基或瀝青基碳(tan)纖(xian)(xian)維，易石墨化，力學性能良(liang)好，導電(dian)性高，易形成層間(jian)化合物。(見(jian)氣相生(sheng)長炭纖(xian)(xian)維)

分類及命名

現在碳(tan)纖(xian)(xian)維的主要產品有聚丙烯(xi)腈基，瀝青基及黏膠(jiao)基3大類(lei)，每一類(lei)產品又因(yin)(yin)原纖(xian)(xian)維種類(lei)、工藝及最終(zhong)碳(tan)纖(xian)(xian)維性能(neng)等不同，又分成許多品種。“碳(tan)纖(xian)(xian)維”一詞實際上(shang)是多種碳(tan)纖(xian)(xian)維的總稱，因(yin)(yin)此分類(lei)及命名就十分重要。

20世(shi)紀70年代末期，國(guo)際理(li)論與應用(yong)化(hua)學聯合會(IUPAC)曾(ceng)對炭纖(xian)(xian)維的(de)分類和命名作了規定。首先用(yong)PAN(聚丙烯腈(jing))，MP(中間相瀝(li)青(qing)(qing)(qing))及VS(黏膠(jiao))表(biao)示(shi)(shi)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維的(de)類別(bie)，再(zai)(zai)以小寫(xie)英文字母(mu)表(biao)示(shi)(shi)熱(re)處理(li)溫(wen)度如lht(表(biao)示(shi)(shi)熱(re)處理(li)溫(wen)度，低于1400℃)，hht(熱(re)處理(li)溫(wen)度在(zai)2000℃以上)，然后再(zai)(zai)加(jia)上表(biao)示(shi)(shi)性能的(de)符號(如HT表(biao)示(shi)(shi)高(gao)強、HM高(gao)模、SHT超高(gao)強、HTHS高(gao)強高(gao)應變、IM中模及UHM超高(gao)模等)。同時指(zhi)出，聚丙烯腈(jing)基，黏膠(jiao)基及普通型(xing)瀝(li)青(qing)(qing)(qing)基碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維均屬難(nan)石墨(mo)化(hua)的(de)聚合物炭，而中間相瀝(li)青(qing)(qing)(qing)基炭纖(xian)(xian)維及氣相生長的(de)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維是易石墨(mo)化(hua)碳(tan)(tan)。

在第(di)三次(ci)國(guo)際碳(tan)纖維會(hui)議上(1985年，倫敦)。曾建議按力學性能將碳(tan)纖維分(fen)成下列(lie)5級。

超高模量(liang)(liang)級(UHM):　 模量(liang)(liang)在395 GPa以上；

高模量級(HM):　模量在310～395 GPa間；

中模(mo)量級(ji)(IM):　模(mo)量在(zai)255～310 GPa間；

超(chao)高強(qiang)度級(ji)(UHT):　 強(qiang)度在(zai)3.5 GPa以上

模量在255 GPa以下；

高(gao)強度(du)級(HT):　強度(du)達3.5 GPa。

這兩種分(fen)級法都有不足之處。現在高性能(neng)碳纖維產品(pin)分(fen)類(lei)由制造商自行標明：原纖維種類(lei)、單絲孔數、直(zhi)徑、排列(lie)方式(如平行、纏結(jie)、加捻等(deng))，有無表(biao)面處理(及其(qi)種類(lei))，有無上漿(及漿劑種類(lei))等(deng)。一些(xie)重(zhong)要的(de)高性能(neng)商品(pin)名稱及性能(neng)，可見聚丙(bing)烯腈基炭(tan)纖維和(he)瀝青基炭(tan)纖維。

發展展望

20世紀90年代初，高(gao)性(xing)(xing)能及超高(gao)性(xing)(xing)能炭(tan)纖(xian)維(wei)(wei)已問世，預(yu)料今后(hou)工作(zuo)將致力于(yu)完善工藝、擴(kuo)大(da)生產、降低(di)成(cheng)本和(he)開發(fa)(fa)(fa)應用。一些特種(zhong)碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)，如抗氧化碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(以(yi)提(ti)高(gao)復(fu)合(he)(he)材料的使用溫度)、低(di)纖(xian)度碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(做0.035mm超薄型預(yu)浸(jin)帶用)、高(gao)導熱低(di)電阻碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(以(yi)滿足屏(ping)蔽電磁、射頻干擾用，并可散發(fa)(fa)(fa)多余的熱能)、低(di)熱膨脹系(xi)數碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(供(gong)衛星天線(xian)系(xi)統、反射鏡(jing)等(deng)用)，中空碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(用于(yu)飛機制造工業(ye)，提(ti)高(gao)復(fu)合(he)(he)材料的沖擊韌性(xing)(xing)，核反應堆中的高(gao)溫過濾介質，分(fen)離(li)生物分(fen)子血清和(he)血漿用的介質)和(he)活性(xing)(xing)碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)，隨著科學及工程的發(fa)(fa)(fa)展(zhan)會(hui)有很大(da)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)。氣相生長碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)近期內在穩定工藝，連(lian)續化生產方面會(hui)有明(ming)顯(xian)進展(zhan)，工業(ye)化生產的日期預(yu)料不會(hui)太遠。