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介紹

由碳(tan)元素組成的(de)一種特種纖(xian)維(wei)。具有(you)耐高(gao)(gao)溫、抗(kang)摩擦、導(dao)電、導(dao)熱及耐腐蝕等(deng)特性外形呈纖(xian)維(wei)狀(zhuang)、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨(mo)微(wei)晶結構沿(yan)纖(xian)維(wei)軸擇優取向，因此沿(yan)纖(xian)維(wei)軸方向有(you)很高(gao)(gao)的(de)強度(du)和模量。碳(tan)纖(xian)維(wei)的(de)密度(du)小，因此比強度(du)和比模量高(gao)(gao)。碳(tan)纖(xian)維(wei)的(de)主(zhu)要用(yong)途是作(zuo)為增(zeng)強材(cai)料(liao)與樹脂、金屬、陶瓷(ci)及炭等(deng)復(fu)合(he)(he)，制(zhi)造先進(jin)復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)。碳(tan)纖(xian)維(wei)增(zeng)強環氧樹脂復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)，其比強度(du)及比模量在(zai)現有(you)工程材(cai)料(liao)中(zhong)是最高(gao)(gao)的(de)。

簡史

1879年愛迪生曾用纖維素纖維，如竹(zhu)、亞麻或(huo)棉紗為原料(liao)，首先制(zhi)得(de)碳纖維并獲得(de)專利，但(dan)當時制(zhi)得(de)的纖維力(li)學性能(neng)(neng)(neng)很低，工藝(yi)也(ye)不能(neng)(neng)(neng)工業化，未(wei)能(neng)(neng)(neng)獲得(de)發展。

20世紀50年(nian)代初，由于火箭、航天及航空等(deng)尖端技(ji)術的(de)(de)發展(zhan)，迫切需要(yao)比(bi)強度(du)、比(bi)模(mo)量高和耐高溫的(de)(de)新型材料，另一(yi)方(fang)面(mian)，采用前(qian)驅纖(xian)維(wei)為原料經(jing)熱(re)處理的(de)(de)工藝(yi)可(ke)制得碳(tan)纖(xian)維(wei)連(lian)續長絲，這(zhe)一(yi)工藝(yi)奠定了(le)碳(tan)纖(xian)維(wei)工業化的(de)(de)基礎(chu)。40多年(nian)來，碳(tan)纖(xian)維(wei)經(jing)歷的(de)(de)重大(da)技(ji)術進展(zhan)如下：

20世紀50年代初，美(mei)國(guo)Wright-Patterson空軍(jun)基(ji)地以黏膠(jiao)(jiao)纖(xian)(xian)維(wei)為原料，試(shi)制碳(tan)(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)成功，產(chan)品作火箭(jian)噴管和鼻錐的(de)(de)燒蝕材料，效果很好(hao)。1956年美(mei)國(guo)聯合碳(tan)(tan)(tan)化物(wu)公司試(shi)制高模(mo)量黏膠(jiao)(jiao)基(ji)碳(tan)(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)成功，商品名“Thornel—25”投放市場，同時開發了應力(li)石墨(mo)化的(de)(de)技術，提高碳(tan)(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)的(de)(de)強度與(yu)模(mo)量。

20世紀(ji)60年(nian)代初(chu)，日(ri)本(ben)進(jin)藤昭(zhao)男發(fa)(fa)明了以(yi)聚丙(bing)烯(xi)腈(PAN)纖(xian)維為原料制取碳(tan)(tan)纖(xian)維的方法(fa)，并取得了專利。1963年(nian)日(ri)本(ben)碳(tan)(tan)公(gong)(gong)司(si)(si)及東海電(dian)極(ji)公(gong)(gong)司(si)(si)用(yong)(yong)進(jin)藤的專利開發(fa)(fa)聚丙(bing)烯(xi)腈基碳(tan)(tan)纖(xian)維。1965年(nian)日(ri)本(ben)碳(tan)(tan)公(gong)(gong)司(si)(si)工業(ye)化(hua)生產普通型(xing)聚丙(bing)烯(xi)腈基碳(tan)(tan)纖(xian)維成功(gong)。1964年(nian)英(ying)國皇(huang)家航空研究中(zhong)心(RAE)通過在預氧化(hua)時加張力試制出高性能聚丙(bing)烯(xi)腈基碳(tan)(tan)纖(xian)維。由Courtaulds公(gong)(gong)司(si)(si)，Hercules公(gong)(gong)司(si)(si)和Rolls—Royce公(gong)(gong)司(si)(si)采用(yong)(yong)RAE的技術進(jin)行工業(ye)化(hua)生產。

1965年日本大谷杉(shan)郎首先制成了聚氯(lv)乙烯瀝(li)青(qing)基碳纖維(wei)，并發表了先驅性的瀝(li)青(qing)基碳纖維(wei)的研究報告。

1969年日(ri)(ri)本(ben)(ben)碳(tan)(tan)公(gong)(gong)(gong)司(si)開發高性能聚(ju)丙(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)(ji)碳(tan)(tan)纖維(wei)(wei)(wei)獲得(de)成功(gong)。1970年日(ri)(ri)本(ben)(ben)東麗(Toray Textile Inc.)公(gong)(gong)(gong)司(si)依靠先進的聚(ju)丙(bing)烯(xi)腈(jing)原絲技術(shu)，并與美國聯(lian)合碳(tan)(tan)化物公(gong)(gong)(gong)司(si)交換碳(tan)(tan)化技術(shu)，開發高性能聚(ju)丙(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)(ji)碳(tan)(tan)纖維(wei)(wei)(wei)。1971年東麗公(gong)(gong)(gong)司(si)將高性能聚(ju)丙(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)(ji)碳(tan)(tan)纖維(wei)(wei)(wei)產(chan)(chan)(chan)品(pin)(Torayca)投放市場。隨后產(chan)(chan)(chan)品(pin)的性能、品(pin)種、產(chan)(chan)(chan)量(liang)不(bu)斷發展，至今仍處(chu)于世界領(ling)先地位(wei)。此后，日(ri)(ri)本(ben)(ben)東邦、旭化成、三菱人造絲及住友公(gong)(gong)(gong)司(si)等相繼(ji)投入聚(ju)丙(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)(ji)碳(tan)(tan)纖維(wei)(wei)(wei)的生產(chan)(chan)(chan)行列。(見聚(ju)丙(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)(ji)碳(tan)(tan)纖維(wei)(wei)(wei))

1970年(nian)(nian)日本吳羽(yu)化(hua)(hua)學(xue)工業公司(si)采用大谷(gu)杉(shan)郎(lang)的(de)專利，首先(xian)建成年(nian)(nian)產(chan)120t普通(tong)型(GPCF)瀝青(qing)基碳(tan)纖(xian)維的(de)生產(chan)廠，1978年(nian)(nian)產(chan)量(liang)增(zeng)(zeng)到(dao)240t。該產(chan)品被用作(zuo)水(shui)泥增(zeng)(zeng)強材料后，發現效果(guo)很好，1984年(nian)(nian)產(chan)量(liang)增(zeng)(zeng)至400t，1986年(nian)(nian)再次增(zeng)(zeng)加到(dao)900t。1976年(nian)(nian)美國(guo)聯合(he)碳(tan)化(hua)(hua)物公司(si)生產(chan)高(gao)性能中間相瀝青(qing)基碳(tan)纖(xian)維(HPCF)成功，年(nian)(nian)產(chan)量(liang)為113t，1982年(nian)(nian)增(zeng)(zeng)至230t，1985年(nian)(nian)增(zeng)(zeng)至311t。

1982年起(qi)，日本(ben)東麗、東邦、日本(ben)碳公(gong)司、美(mei)國(guo)Hercules、Celanese公(gong)司、英國(guo)Courtaulds公(gong)司等，先后生(sheng)產(chan)出高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)、超高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)、高(gao)(gao)(gao)模(mo)量(liang)、超高(gao)(gao)(gao)模(mo)量(liang)、高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)中模(mo)以及高(gao)(gao)(gao)強(qiang)(qiang)高(gao)(gao)(gao)模(mo)等類(lei)型高(gao)(gao)(gao)性能產(chan)品(pin)(pin)，碳纖維拉伸強(qiang)(qiang)度從3.5GPa提高(gao)(gao)(gao)到(dao)5.5GPa，小規模(mo)產(chan)品(pin)(pin)達(da)7.0GPa。模(mo)量(liang)從230GPa提高(gao)(gao)(gao)到(dao)600 GPa，這(zhe)是碳纖維工藝技(ji)術的重(zhong)大突破，使應用開發進入(ru)一個新的高(gao)(gao)(gao)水平階段。

1981年起瀝(li)(li)(li)青科(ke)學取得重大進展(zhan)(zhan)，開(kai)發(fa)出(chu)幾種(zhong)調(diao)制中間(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)瀝(li)(li)(li)青的(de)新(xin)工藝，如日本九(jiu)州(zhou)工業試驗所(suo)的(de)預(yu)中間(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)法，美國EXXON公司(si)的(de)新(xin)中間(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)法，日本群馬大學開(kai)發(fa)的(de)潛在中間(jian)相(xiang)(xiang)(xiang)法，促進了高(gao)(gao)性能瀝(li)(li)(li)青基碳纖維的(de)開(kai)發(fa)。隨(sui)后日本三(san)菱化成化學公司(si)、大阪煤氣公司(si)、新(xin)日鐵公司(si)陸續建成一批不同(tong)規格的(de)高(gao)(gao)性能碳纖維生產廠。其特點是(shi)模量增高(gao)(gao)的(de)同(tong)時也增高(gao)(gao)強(qiang)度(du)。20世紀(ji)80年代是(shi)瀝(li)(li)(li)青基碳纖維的(de)興旺發(fa)展(zhan)(zhan)時期。

黏(nian)膠基碳纖(xian)維自20世紀60年(nian)代中(zhong)期以后沒有(you)發展(zhan)，僅生產少量產品(pin)供軍工及特種部門使用。

工藝

現代碳(tan)纖維工業化的路線(xian)是前驅纖維炭(tan)化工藝法，所用3種(zhong)原料纖維的組(zu)成、碳(tan)含量(liang)等見表。

制造碳纖維(wei)用的原(yuan)纖維(wei)名稱化學組分碳含量/%碳纖維(wei)收率(lv)/%黏膠纖維(wei)(C6H10O5)n4521～35聚(ju)丙(bing)烯腈纖維(wei)(C3H3N)n6840～55瀝青纖維(wei)C，H9580～90

采用這3種原纖(xian)維制造(zao)炭纖(xian)維的(de)流程都包括(kuo)：穩定化(hua)處理(li)(li)(在200～400℃空(kong)氣(qi)，或用耐燃(ran)試劑等化(hua)學(xue)處理(li)(li))，碳(tan)化(hua)(400～1400℃，氮氣(qi))和石墨(mo)化(hua)(1800℃以上(shang)，氬(ya)氣(qi)氣(qi)氛下)。為了(le)提高炭纖(xian)維與復合材料基質的(de)粘接(jie)性能需進行表面(mian)處理(li)(li)、上(shang)漿、干燥等工序。

另(ling)一(yi)種制造碳纖維的方法是氣相生長(chang)法。將甲烷與氫的混(hun)合氣體在催化(hua)劑的存在下(xia)，于1000℃高溫下(xia)反應，可制得不連續的短切碳纖維，最大(da)長(chang)度可達50cm。其結構不同于聚丙烯腈(jing)基或瀝青基碳纖維，易石墨化(hua)，力學性(xing)(xing)能(neng)良好，導電性(xing)(xing)高，易形成層間化(hua)合物。(見氣相生長(chang)炭(tan)纖維)

分類及命名

現在碳纖(xian)維(wei)(wei)的主要(yao)產(chan)品有聚丙烯腈(jing)基，瀝青基及(ji)(ji)黏膠基3大類，每一類產(chan)品又(you)因(yin)原纖(xian)維(wei)(wei)種類、工藝及(ji)(ji)最終碳纖(xian)維(wei)(wei)性能等不同，又(you)分(fen)成許多(duo)品種。“碳纖(xian)維(wei)(wei)”一詞實際上(shang)是多(duo)種碳纖(xian)維(wei)(wei)的總(zong)稱(cheng)，因(yin)此(ci)分(fen)類及(ji)(ji)命名就十分(fen)重要(yao)。

20世紀70年代末期，國(guo)際理(li)論與應用化(hua)學(xue)聯合(he)會(IUPAC)曾對炭(tan)纖維(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)分類(lei)和(he)命名作了規定。首(shou)先(xian)用PAN(聚(ju)丙(bing)烯腈)，MP(中(zhong)間(jian)相瀝(li)(li)青)及(ji)VS(黏膠(jiao))表(biao)示(shi)碳(tan)纖維(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)類(lei)別，再以小(xiao)寫英(ying)文字母(mu)表(biao)示(shi)熱(re)處理(li)溫(wen)度(du)如(ru)lht(表(biao)示(shi)熱(re)處理(li)溫(wen)度(du)，低于1400℃)，hht(熱(re)處理(li)溫(wen)度(du)在2000℃以上(shang))，然后再加上(shang)表(biao)示(shi)性能的(de)(de)(de)符(fu)號(如(ru)HT表(biao)示(shi)高(gao)強(qiang)、HM高(gao)模(mo)、SHT超(chao)高(gao)強(qiang)、HTHS高(gao)強(qiang)高(gao)應變、IM中(zhong)模(mo)及(ji)UHM超(chao)高(gao)模(mo)等(deng))。同時(shi)指出，聚(ju)丙(bing)烯腈基(ji)，黏膠(jiao)基(ji)及(ji)普通型瀝(li)(li)青基(ji)碳(tan)纖維(wei)(wei)(wei)均屬難石(shi)墨化(hua)的(de)(de)(de)聚(ju)合(he)物炭(tan)，而(er)中(zhong)間(jian)相瀝(li)(li)青基(ji)炭(tan)纖維(wei)(wei)(wei)及(ji)氣相生長的(de)(de)(de)碳(tan)纖維(wei)(wei)(wei)是易石(shi)墨化(hua)碳(tan)。

在第三次國(guo)際碳纖維(wei)會議上(1985年，倫敦)。曾建議按(an)力學性能將碳纖維(wei)分成下列5級。

超(chao)高模量(liang)級(UHM):　 模量(liang)在(zai)395 GPa以上；

高模量(liang)級(HM):　模量(liang)在310～395 GPa間；

中(zhong)模(mo)量級(IM):　模(mo)量在255～310 GPa間(jian)；

超高強(qiang)度級(UHT):　 強(qiang)度在3.5 GPa以上(shang)

模量在(zai)255 GPa以下；

高(gao)強度級(HT):　強度達3.5 GPa。

這兩種分(fen)級法都有不足之處(chu)。現在(zai)高性(xing)能(neng)碳纖(xian)維(wei)產(chan)品分(fen)類由制造商(shang)自(zi)行標明：原(yuan)纖(xian)維(wei)種類、單絲孔(kong)數、直(zhi)徑、排(pai)列方式(如(ru)平行、纏(chan)結、加(jia)捻等(deng))，有無(wu)(wu)表(biao)面處(chu)理(及(ji)(ji)其(qi)種類)，有無(wu)(wu)上漿(及(ji)(ji)漿劑種類)等(deng)。一些重要(yao)的高性(xing)能(neng)商(shang)品名稱及(ji)(ji)性(xing)能(neng)，可見聚(ju)丙烯腈(jing)基(ji)(ji)炭纖(xian)維(wei)和瀝青基(ji)(ji)炭纖(xian)維(wei)。

發展展望

20世紀90年(nian)代初，高(gao)性(xing)能及超高(gao)性(xing)能炭纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)已問世，預料(liao)今后工(gong)作將致(zhi)力于完善工(gong)藝(yi)、擴(kuo)大(da)生(sheng)產、降低(di)成(cheng)本和開發應(ying)用。一(yi)些特種碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)，如抗氧化(hua)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(以(yi)提高(gao)復合材料(liao)的使用溫(wen)度)、低(di)纖(xian)(xian)度碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(做0.035mm超薄型預浸帶用)、高(gao)導熱(re)低(di)電(dian)阻碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(以(yi)滿足屏蔽(bi)電(dian)磁、射(she)頻干擾用，并可散(san)發多余(yu)的熱(re)能)、低(di)熱(re)膨脹系數碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(供衛星天(tian)線系統(tong)、反(fan)射(she)鏡(jing)等用)，中(zhong)空碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(用于飛(fei)機制造工(gong)業(ye)，提高(gao)復合材料(liao)的沖擊韌性(xing)，核反(fan)應(ying)堆(dui)中(zhong)的高(gao)溫(wen)過濾介(jie)質，分離生(sheng)物分子血清(qing)和血漿用的介(jie)質)和活性(xing)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)，隨著科學及工(gong)程的發展會有(you)(you)很(hen)大(da)發展。氣相生(sheng)長碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)近期(qi)內在穩定工(gong)藝(yi)，連(lian)續化(hua)生(sheng)產方面(mian)會有(you)(you)明顯進展，工(gong)業(ye)化(hua)生(sheng)產的日(ri)期(qi)預料(liao)不會太遠。