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介紹

由碳(tan)元素組(zu)成(cheng)的(de)一種特種纖(xian)維(wei)(wei)。具有耐(nai)高(gao)(gao)溫、抗摩擦(ca)、導(dao)電(dian)、導(dao)熱及耐(nai)腐蝕等特性(xing)外形呈纖(xian)維(wei)(wei)狀、柔軟、可加(jia)工成(cheng)各種織物，由于其石(shi)墨微晶結(jie)構沿纖(xian)維(wei)(wei)軸擇優取(qu)向，因此沿纖(xian)維(wei)(wei)軸方向有很高(gao)(gao)的(de)強度和模量(liang)。碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)的(de)密度小，因此比強度和比模量(liang)高(gao)(gao)。碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)的(de)主要用途(tu)是作為增強材料(liao)(liao)(liao)與(yu)樹(shu)脂(zhi)、金屬(shu)、陶瓷及炭等復(fu)合，制(zhi)造(zao)先進(jin)復(fu)合材料(liao)(liao)(liao)。碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)增強環(huan)氧樹(shu)脂(zhi)復(fu)合材料(liao)(liao)(liao)，其比強度及比模量(liang)在現有工程材料(liao)(liao)(liao)中是最高(gao)(gao)的(de)。

簡史

1879年愛迪生曾用纖(xian)維(wei)素纖(xian)維(wei)，如(ru)竹(zhu)、亞麻或棉紗為原(yuan)料，首先(xian)制得(de)碳纖(xian)維(wei)并獲得(de)專(zhuan)利，但當時制得(de)的纖(xian)維(wei)力(li)學性能(neng)很低，工藝也不能(neng)工業化，未能(neng)獲得(de)發展。

20世紀50年代初，由(you)于火箭、航天及(ji)航空(kong)等尖端技術的(de)發(fa)展，迫切需(xu)要比強度、比模(mo)量高和耐高溫的(de)新型材料(liao)，另(ling)一(yi)方(fang)面(mian)，采(cai)用(yong)前驅纖維為原(yuan)料(liao)經熱處(chu)理的(de)工藝(yi)可制得碳(tan)纖維連續長絲，這一(yi)工藝(yi)奠定了碳(tan)纖維工業化的(de)基(ji)礎。40多年來，碳(tan)纖維經歷的(de)重大技術進展如下(xia)：

20世紀(ji)50年代初，美(mei)國(guo)Wright-Patterson空軍基(ji)地(di)以黏膠纖(xian)維(wei)為原料(liao)，試制碳纖(xian)維(wei)成(cheng)功(gong)(gong)，產品作火箭(jian)噴(pen)管和(he)鼻錐的(de)燒蝕材料(liao)，效果(guo)很好。1956年美(mei)國(guo)聯合碳化(hua)物公司試制高模(mo)量黏膠基(ji)碳纖(xian)維(wei)成(cheng)功(gong)(gong)，商品名“Thornel—25”投放市場，同時開發了應力石墨化(hua)的(de)技術，提高碳纖(xian)維(wei)的(de)強度與模(mo)量。

20世紀60年(nian)(nian)代(dai)初，日本進(jin)藤昭(zhao)男發明了以聚丙烯(xi)腈(PAN)纖(xian)維(wei)為原料制取(qu)碳纖(xian)維(wei)的方法(fa)，并(bing)取(qu)得了專(zhuan)利。1963年(nian)(nian)日本碳公(gong)(gong)(gong)司及東海電極公(gong)(gong)(gong)司用進(jin)藤的專(zhuan)利開發聚丙烯(xi)腈基碳纖(xian)維(wei)。1965年(nian)(nian)日本碳公(gong)(gong)(gong)司工業化生產普通型(xing)聚丙烯(xi)腈基碳纖(xian)維(wei)成功。1964年(nian)(nian)英國皇家航空(kong)研究中心(RAE)通過在(zai)預氧(yang)化時(shi)加張力試(shi)制出高(gao)性能(neng)聚丙烯(xi)腈基碳纖(xian)維(wei)。由Courtaulds公(gong)(gong)(gong)司，Hercules公(gong)(gong)(gong)司和Rolls—Royce公(gong)(gong)(gong)司采(cai)用RAE的技術(shu)進(jin)行工業化生產。

1965年日本大谷杉郎(lang)首先制成了(le)聚氯(lv)乙烯(xi)瀝青(qing)基碳纖(xian)維，并發表了(le)先驅性的(de)瀝青(qing)基碳纖(xian)維的(de)研(yan)究報告。

1969年(nian)日本碳(tan)(tan)公(gong)司開(kai)發高性(xing)能(neng)(neng)聚丙(bing)(bing)烯(xi)(xi)腈(jing)(jing)基(ji)(ji)碳(tan)(tan)纖維(wei)獲得成功。1970年(nian)日本東麗(Toray Textile Inc.)公(gong)司依靠先進的聚丙(bing)(bing)烯(xi)(xi)腈(jing)(jing)原絲技術，并(bing)與美國聯合碳(tan)(tan)化(hua)物公(gong)司交換(huan)碳(tan)(tan)化(hua)技術，開(kai)發高性(xing)能(neng)(neng)聚丙(bing)(bing)烯(xi)(xi)腈(jing)(jing)基(ji)(ji)碳(tan)(tan)纖維(wei)。1971年(nian)東麗公(gong)司將高性(xing)能(neng)(neng)聚丙(bing)(bing)烯(xi)(xi)腈(jing)(jing)基(ji)(ji)碳(tan)(tan)纖維(wei)產(chan)品(Torayca)投放市場。隨后(hou)產(chan)品的性(xing)能(neng)(neng)、品種(zhong)、產(chan)量不斷發展，至(zhi)今仍處于世界領先地位(wei)。此后(hou)，日本東邦、旭化(hua)成、三菱(ling)人造絲及住友公(gong)司等(deng)相繼投入聚丙(bing)(bing)烯(xi)(xi)腈(jing)(jing)基(ji)(ji)碳(tan)(tan)纖維(wei)的生產(chan)行列。(見聚丙(bing)(bing)烯(xi)(xi)腈(jing)(jing)基(ji)(ji)碳(tan)(tan)纖維(wei))

1970年(nian)(nian)日本吳羽化(hua)學工業公(gong)司采用大(da)谷杉郎的專利，首先建成年(nian)(nian)產(chan)(chan)120t普通型(GPCF)瀝青(qing)基(ji)碳纖維(wei)(wei)的生(sheng)產(chan)(chan)廠，1978年(nian)(nian)產(chan)(chan)量(liang)增到(dao)240t。該(gai)產(chan)(chan)品被(bei)用作水(shui)泥增強材料后，發現效果很好(hao)，1984年(nian)(nian)產(chan)(chan)量(liang)增至400t，1986年(nian)(nian)再次增加到(dao)900t。1976年(nian)(nian)美國聯合碳化(hua)物公(gong)司生(sheng)產(chan)(chan)高性能中間相瀝青(qing)基(ji)碳纖維(wei)(wei)(HPCF)成功，年(nian)(nian)產(chan)(chan)量(liang)為(wei)113t，1982年(nian)(nian)增至230t，1985年(nian)(nian)增至311t。

1982年起，日(ri)本(ben)東(dong)麗、東(dong)邦(bang)、日(ri)本(ben)碳公(gong)司(si)、美國Hercules、Celanese公(gong)司(si)、英(ying)國Courtaulds公(gong)司(si)等(deng)，先后生產(chan)出高(gao)(gao)(gao)強(qiang)、超高(gao)(gao)(gao)強(qiang)、高(gao)(gao)(gao)模量、超高(gao)(gao)(gao)模量、高(gao)(gao)(gao)強(qiang)中模以(yi)及高(gao)(gao)(gao)強(qiang)高(gao)(gao)(gao)模等(deng)類型高(gao)(gao)(gao)性能產(chan)品，碳纖維拉(la)伸(shen)強(qiang)度從(cong)3.5GPa提高(gao)(gao)(gao)到(dao)5.5GPa，小規模產(chan)品達7.0GPa。模量從(cong)230GPa提高(gao)(gao)(gao)到(dao)600 GPa，這是碳纖維工藝技術的重大突破，使應用開發進入(ru)一個新的高(gao)(gao)(gao)水平階(jie)段。

1981年起瀝青(qing)科學取得重大進展，開發出幾種(zhong)調制中(zhong)間(jian)相(xiang)瀝青(qing)的(de)(de)新工(gong)藝，如日(ri)(ri)本九(jiu)州工(gong)業試驗所(suo)的(de)(de)預中(zhong)間(jian)相(xiang)法，美國(guo)EXXON公司的(de)(de)新中(zhong)間(jian)相(xiang)法，日(ri)(ri)本群馬大學開發的(de)(de)潛在(zai)中(zhong)間(jian)相(xiang)法，促進了高(gao)性能(neng)瀝青(qing)基碳纖(xian)維(wei)的(de)(de)開發。隨后日(ri)(ri)本三菱化成化學公司、大阪煤氣公司、新日(ri)(ri)鐵公司陸續建成一批不同(tong)規格的(de)(de)高(gao)性能(neng)碳纖(xian)維(wei)生產廠。其特點是模(mo)量(liang)增(zeng)高(gao)的(de)(de)同(tong)時(shi)也增(zeng)高(gao)強度。20世(shi)紀80年代是瀝青(qing)基碳纖(xian)維(wei)的(de)(de)興旺發展時(shi)期。

黏膠基碳纖維自20世(shi)紀(ji)60年(nian)代中(zhong)期(qi)以后沒有發展(zhan)，僅生產少量產品供軍工及特種部門使用。

工藝

現代碳(tan)纖(xian)維工業化的路線是前驅纖(xian)維炭(tan)化工藝法(fa)，所用3種(zhong)原料纖(xian)維的組成、碳(tan)含量等(deng)見表。

制造碳(tan)纖(xian)(xian)維用的原纖(xian)(xian)維名(ming)稱化(hua)學組(zu)分碳(tan)含量/%碳(tan)纖(xian)(xian)維收率/%黏膠(jiao)纖(xian)(xian)維(C6H10O5)n4521～35聚丙烯(xi)腈纖(xian)(xian)維(C3H3N)n6840～55瀝青纖(xian)(xian)維C，H9580～90

采(cai)用(yong)這(zhe)3種原纖維制造炭纖維的流程(cheng)都包括：穩定化(hua)處理(li)(在200～400℃空氣(qi)，或用(yong)耐(nai)燃試劑等化(hua)學處理(li))，碳化(hua)(400～1400℃，氮(dan)氣(qi))和石墨化(hua)(1800℃以(yi)上，氬氣(qi)氣(qi)氛下(xia))。為(wei)了提(ti)高(gao)炭纖維與(yu)復合材料基質(zhi)的粘(zhan)接(jie)性能需進行表面處理(li)、上漿、干燥等工序。

另一種(zhong)制(zhi)造(zao)碳纖(xian)維的(de)方法是(shi)氣(qi)相生長法。將甲烷與氫的(de)混(hun)合(he)氣(qi)體(ti)在催(cui)化劑的(de)存在下(xia)，于1000℃高溫下(xia)反應，可(ke)制(zhi)得不連續的(de)短切(qie)碳纖(xian)維，最(zui)大長度可(ke)達(da)50cm。其結構不同于聚丙烯(xi)腈(jing)基(ji)或(huo)瀝青基(ji)碳纖(xian)維，易(yi)石(shi)墨(mo)化，力學性(xing)能良好(hao)，導電(dian)性(xing)高，易(yi)形成(cheng)層間化合(he)物(wu)。(見(jian)氣(qi)相生長炭纖(xian)維)

分類及命名

現(xian)在碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)的主要產品有聚(ju)丙(bing)烯腈基(ji)，瀝青基(ji)及黏膠基(ji)3大類(lei)(lei)，每一(yi)類(lei)(lei)產品又因(yin)原纖(xian)維(wei)(wei)種(zhong)類(lei)(lei)、工藝及最終碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)性能(neng)等不同，又分成許(xu)多品種(zhong)。“碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)”一(yi)詞實際上(shang)是多種(zhong)碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)的總稱，因(yin)此分類(lei)(lei)及命名就十分重要。

20世紀70年代末(mo)期，國際(ji)理論與(yu)應(ying)用(yong)化學聯合會(IUPAC)曾對炭纖維的(de)(de)分類(lei)和(he)命名作了規定。首先用(yong)PAN(聚(ju)丙(bing)烯腈(jing))，MP(中(zhong)間相(xiang)瀝(li)青(qing))及(ji)VS(黏(nian)膠)表(biao)示(shi)碳(tan)纖維的(de)(de)類(lei)別(bie)，再(zai)(zai)以小寫英文字母表(biao)示(shi)熱(re)處(chu)(chu)理溫(wen)度如(ru)lht(表(biao)示(shi)熱(re)處(chu)(chu)理溫(wen)度，低于1400℃)，hht(熱(re)處(chu)(chu)理溫(wen)度在2000℃以上)，然后(hou)再(zai)(zai)加上表(biao)示(shi)性能(neng)的(de)(de)符號(如(ru)HT表(biao)示(shi)高(gao)強(qiang)(qiang)、HM高(gao)模、SHT超(chao)高(gao)強(qiang)(qiang)、HTHS高(gao)強(qiang)(qiang)高(gao)應(ying)變、IM中(zhong)模及(ji)UHM超(chao)高(gao)模等)。同(tong)時指出，聚(ju)丙(bing)烯腈(jing)基，黏(nian)膠基及(ji)普通型瀝(li)青(qing)基碳(tan)纖維均屬(shu)難石墨化的(de)(de)聚(ju)合物(wu)炭，而中(zhong)間相(xiang)瀝(li)青(qing)基炭纖維及(ji)氣相(xiang)生長的(de)(de)碳(tan)纖維是易石墨化碳(tan)。

在(zai)第三次國際(ji)碳(tan)纖維會議上(1985年(nian)，倫敦(dun))。曾(ceng)建議按力學性能將碳(tan)纖維分(fen)成(cheng)下列5級。

超高模量級(ji)(UHM):　 模量在(zai)395 GPa以上；

高模(mo)量級(HM):　模(mo)量在(zai)310～395 GPa間；

中模量級(IM):　模量在255～310 GPa間；

超高強度級(ji)(UHT):　 強度在3.5 GPa以(yi)上

模(mo)量在(zai)255 GPa以下(xia)；

高強度(du)級(HT):　強度(du)達3.5 GPa。

這兩(liang)種分級法都(dou)有(you)不足之(zhi)處(chu)。現在高性能(neng)碳纖(xian)維(wei)產品分類由制(zhi)造商(shang)自行標明(ming)：原(yuan)纖(xian)維(wei)種類、單絲孔(kong)數、直徑、排列(lie)方式(shi)(如平行、纏(chan)結、加捻(nian)等)，有(you)無表(biao)面處(chu)理(及其種類)，有(you)無上(shang)漿(及漿劑種類)等。一些重要的高性能(neng)商(shang)品名稱(cheng)及性能(neng)，可見聚(ju)丙(bing)烯腈基(ji)(ji)炭(tan)纖(xian)維(wei)和(he)瀝(li)青基(ji)(ji)炭(tan)纖(xian)維(wei)。

發展展望

20世紀90年代初，高(gao)性(xing)(xing)能(neng)及超高(gao)性(xing)(xing)能(neng)炭(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(wei)已問(wen)世，預料今后工(gong)(gong)作將致力于完善工(gong)(gong)藝、擴大生(sheng)產、降低成本和開(kai)發(fa)應(ying)用(yong)(yong)。一些(xie)特種(zhong)碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(wei)，如抗氧(yang)化(hua)碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(wei)(以提(ti)(ti)高(gao)復合(he)材料的(de)使用(yong)(yong)溫(wen)度)、低纖(xian)度碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(wei)(做0.035mm超薄型預浸帶(dai)用(yong)(yong))、高(gao)導熱低電阻碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(wei)(以滿足屏蔽電磁、射頻干擾用(yong)(yong)，并可散發(fa)多(duo)余的(de)熱能(neng))、低熱膨(peng)脹系數(shu)碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(wei)(供(gong)衛星天線系統、反(fan)射鏡等用(yong)(yong))，中空(kong)碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(wei)(用(yong)(yong)于飛機制造工(gong)(gong)業，提(ti)(ti)高(gao)復合(he)材料的(de)沖擊(ji)韌性(xing)(xing)，核反(fan)應(ying)堆中的(de)高(gao)溫(wen)過濾介(jie)質，分離生(sheng)物分子血清和血漿用(yong)(yong)的(de)介(jie)質)和活性(xing)(xing)碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(wei)，隨著科學及工(gong)(gong)程的(de)發(fa)展(zhan)會有很大發(fa)展(zhan)。氣相生(sheng)長碳(tan)(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(wei)近期內在穩定工(gong)(gong)藝，連續化(hua)生(sheng)產方面會有明顯進展(zhan)，工(gong)(gong)業化(hua)生(sheng)產的(de)日期預料不會太(tai)遠。