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介紹

由(you)碳元素組成的一種特種纖維。具有耐(nai)(nai)高(gao)溫、抗摩擦、導電、導熱及(ji)(ji)耐(nai)(nai)腐(fu)蝕(shi)等特性外形(xing)呈纖維狀、柔軟、可加工(gong)成各種織物，由(you)于其石(shi)墨微晶結構沿纖維軸(zhou)擇優(you)取向，因(yin)此(ci)沿纖維軸(zhou)方向有很高(gao)的強(qiang)度和模量(liang)。碳纖維的密(mi)度小，因(yin)此(ci)比(bi)(bi)強(qiang)度和比(bi)(bi)模量(liang)高(gao)。碳纖維的主要用途(tu)是(shi)作為增強(qiang)材料(liao)(liao)與樹脂、金屬、陶瓷及(ji)(ji)炭等復(fu)合，制(zhi)造(zao)先進復(fu)合材料(liao)(liao)。碳纖維增強(qiang)環氧樹脂復(fu)合材料(liao)(liao)，其比(bi)(bi)強(qiang)度及(ji)(ji)比(bi)(bi)模量(liang)在現有工(gong)程材料(liao)(liao)中是(shi)最高(gao)的。

簡史

1879年愛迪生曾(ceng)用纖維素纖維，如竹、亞(ya)麻或棉紗為(wei)原料，首先(xian)制得(de)碳纖維并獲得(de)專利，但當(dang)時制得(de)的纖維力(li)學性能很(hen)低，工(gong)(gong)藝(yi)也不能工(gong)(gong)業化，未能獲得(de)發展(zhan)。

20世紀50年代初，由(you)于火(huo)箭、航天(tian)及航空(kong)等尖端技術(shu)的(de)(de)(de)發展，迫切需要比(bi)強度、比(bi)模量高和耐高溫的(de)(de)(de)新型材料(liao)，另一方(fang)面，采用前驅纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)為原(yuan)料(liao)經(jing)熱處(chu)理的(de)(de)(de)工(gong)藝可制得碳纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)連續(xu)長絲，這一工(gong)藝奠定了碳纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)工(gong)業化的(de)(de)(de)基(ji)礎。40多年來，碳纖(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)經(jing)歷的(de)(de)(de)重大技術(shu)進展如下：

20世紀(ji)50年(nian)代初(chu)，美國Wright-Patterson空軍基(ji)地(di)以黏膠纖(xian)(xian)維(wei)(wei)為原料，試制碳纖(xian)(xian)維(wei)(wei)成功，產品作火箭噴管和鼻錐(zhui)的燒蝕材料，效果很(hen)好。1956年(nian)美國聯合碳化物公(gong)司(si)試制高模量黏膠基(ji)碳纖(xian)(xian)維(wei)(wei)成功，商品名“Thornel—25”投放市場，同時開發(fa)了(le)應(ying)力石(shi)墨化的技術，提高碳纖(xian)(xian)維(wei)(wei)的強度與模量。

20世紀60年(nian)(nian)代(dai)初，日本進(jin)(jin)藤昭男(nan)發明了以聚丙烯腈(jing)(PAN)纖(xian)(xian)維為原料制取碳(tan)纖(xian)(xian)維的(de)方法(fa)，并(bing)取得了專利(li)(li)。1963年(nian)(nian)日本碳(tan)公(gong)司及東(dong)海電極公(gong)司用進(jin)(jin)藤的(de)專利(li)(li)開發聚丙烯腈(jing)基碳(tan)纖(xian)(xian)維。1965年(nian)(nian)日本碳(tan)公(gong)司工(gong)業化(hua)(hua)生產(chan)普通型(xing)聚丙烯腈(jing)基碳(tan)纖(xian)(xian)維成功。1964年(nian)(nian)英國皇家(jia)航空研究(jiu)中(zhong)心(RAE)通過在(zai)預氧化(hua)(hua)時加張力試制出(chu)高性(xing)能(neng)聚丙烯腈(jing)基碳(tan)纖(xian)(xian)維。由Courtaulds公(gong)司，Hercules公(gong)司和Rolls—Royce公(gong)司采用RAE的(de)技(ji)術進(jin)(jin)行工(gong)業化(hua)(hua)生產(chan)。

1965年日(ri)本大谷杉郎首先(xian)制成了(le)(le)聚氯(lv)乙烯(xi)瀝青基碳纖維，并(bing)發表了(le)(le)先(xian)驅性(xing)的瀝青基碳纖維的研究報告。

1969年日(ri)本碳公(gong)(gong)司開發高(gao)性(xing)能(neng)聚(ju)(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)(ji)碳纖(xian)維(wei)獲得成功。1970年日(ri)本東(dong)麗(li)(Toray Textile Inc.)公(gong)(gong)司依靠先進的聚(ju)(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)原絲技術(shu)，并與美國(guo)聯合碳化物公(gong)(gong)司交換碳化技術(shu)，開發高(gao)性(xing)能(neng)聚(ju)(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)(ji)碳纖(xian)維(wei)。1971年東(dong)麗(li)公(gong)(gong)司將高(gao)性(xing)能(neng)聚(ju)(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)(ji)碳纖(xian)維(wei)產(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)(Torayca)投放市場。隨(sui)后(hou)產(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)的性(xing)能(neng)、品(pin)(pin)種、產(chan)(chan)(chan)量不斷發展(zhan)，至今(jin)仍處于世界領先地位。此后(hou)，日(ri)本東(dong)邦、旭化成、三菱人造絲及住友(you)公(gong)(gong)司等(deng)相(xiang)繼投入聚(ju)(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)(ji)碳纖(xian)維(wei)的生產(chan)(chan)(chan)行列。(見(jian)聚(ju)(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)(ji)碳纖(xian)維(wei))

1970年(nian)日(ri)本吳羽化學(xue)工業公(gong)司采(cai)用大谷杉郎的專(zhuan)利，首先建成年(nian)產(chan)120t普通型(xing)(GPCF)瀝(li)青基碳(tan)纖(xian)維的生(sheng)產(chan)廠，1978年(nian)產(chan)量(liang)增(zeng)到240t。該產(chan)品被用作水泥增(zeng)強材(cai)料后，發現效果很好，1984年(nian)產(chan)量(liang)增(zeng)至400t，1986年(nian)再(zai)次增(zeng)加到900t。1976年(nian)美國聯合(he)碳(tan)化物(wu)公(gong)司生(sheng)產(chan)高性能中間(jian)相(xiang)瀝(li)青基碳(tan)纖(xian)維(HPCF)成功，年(nian)產(chan)量(liang)為(wei)113t，1982年(nian)增(zeng)至230t，1985年(nian)增(zeng)至311t。

1982年(nian)起，日(ri)本東(dong)麗(li)、東(dong)邦、日(ri)本碳(tan)公司(si)、美國(guo)Hercules、Celanese公司(si)、英國(guo)Courtaulds公司(si)等，先后生(sheng)產(chan)(chan)出高(gao)強(qiang)(qiang)、超高(gao)強(qiang)(qiang)、高(gao)模(mo)(mo)量(liang)、超高(gao)模(mo)(mo)量(liang)、高(gao)強(qiang)(qiang)中模(mo)(mo)以及高(gao)強(qiang)(qiang)高(gao)模(mo)(mo)等類(lei)型高(gao)性(xing)能產(chan)(chan)品，碳(tan)纖維拉伸強(qiang)(qiang)度從(cong)3.5GPa提高(gao)到5.5GPa，小規模(mo)(mo)產(chan)(chan)品達7.0GPa。模(mo)(mo)量(liang)從(cong)230GPa提高(gao)到600 GPa，這是碳(tan)纖維工藝技術的重(zhong)大突(tu)破，使應用開(kai)發進入一個(ge)新的高(gao)水(shui)平階段。

1981年(nian)(nian)起(qi)瀝青(qing)科學取(qu)得重(zhong)大進展，開(kai)發(fa)(fa)出(chu)幾(ji)種(zhong)調制中(zhong)間相(xiang)瀝青(qing)的(de)新(xin)(xin)工(gong)藝，如日(ri)本(ben)九州工(gong)業試(shi)驗所(suo)的(de)預(yu)中(zhong)間相(xiang)法，美(mei)國EXXON公(gong)司(si)(si)的(de)新(xin)(xin)中(zhong)間相(xiang)法，日(ri)本(ben)群馬大學開(kai)發(fa)(fa)的(de)潛在中(zhong)間相(xiang)法，促(cu)進了(le)高性(xing)能瀝青(qing)基碳(tan)纖(xian)維的(de)開(kai)發(fa)(fa)。隨后日(ri)本(ben)三(san)菱(ling)化成化學公(gong)司(si)(si)、大阪煤氣(qi)公(gong)司(si)(si)、新(xin)(xin)日(ri)鐵公(gong)司(si)(si)陸(lu)續建成一批不同規格(ge)的(de)高性(xing)能碳(tan)纖(xian)維生產廠。其特點(dian)是(shi)模量增(zeng)高的(de)同時(shi)也增(zeng)高強度。20世紀80年(nian)(nian)代是(shi)瀝青(qing)基碳(tan)纖(xian)維的(de)興(xing)旺發(fa)(fa)展時(shi)期(qi)。

黏膠基碳纖(xian)維(wei)自20世(shi)紀(ji)60年代中期以后沒(mei)有發展(zhan)，僅生產(chan)少(shao)量產(chan)品供軍工及特種(zhong)部門使用。

工藝

現代碳纖(xian)維(wei)(wei)工業化的(de)路線(xian)是前驅(qu)纖(xian)維(wei)(wei)炭化工藝法，所用3種原(yuan)料纖(xian)維(wei)(wei)的(de)組成(cheng)、碳含量等(deng)見表。

制造碳(tan)(tan)纖(xian)維用(yong)的原纖(xian)維名稱化學組分碳(tan)(tan)含量/%碳(tan)(tan)纖(xian)維收率/%黏膠(jiao)纖(xian)維(C6H10O5)n4521～35聚丙(bing)烯腈纖(xian)維(C3H3N)n6840～55瀝青纖(xian)維C，H9580～90

采用這3種(zhong)原纖(xian)維制造(zao)炭(tan)纖(xian)維的流程都包括：穩定化(hua)處(chu)理(在200～400℃空(kong)氣(qi)，或(huo)用耐燃試劑等化(hua)學處(chu)理)，碳(tan)化(hua)(400～1400℃，氮氣(qi))和石墨化(hua)(1800℃以上，氬氣(qi)氣(qi)氛下)。為了提高(gao)炭(tan)纖(xian)維與復合材料基質的粘接(jie)性(xing)能需進行表(biao)面處(chu)理、上漿、干(gan)燥等工序。

另一種制(zhi)造碳纖維(wei)的(de)(de)方法是(shi)氣相生長(chang)法。將(jiang)甲烷與氫的(de)(de)混(hun)合氣體在(zai)催化(hua)(hua)劑的(de)(de)存在(zai)下，于1000℃高溫下反應，可制(zhi)得不連續的(de)(de)短切碳纖維(wei)，最(zui)大長(chang)度可達(da)50cm。其結(jie)構不同于聚丙烯腈(jing)基或瀝(li)青基碳纖維(wei)，易石墨化(hua)(hua)，力學(xue)性能良好，導電(dian)性高，易形(xing)成層(ceng)間化(hua)(hua)合物(wu)。(見(jian)氣相生長(chang)炭纖維(wei))

分類及命名

現在碳(tan)(tan)纖(xian)維的(de)主要產品(pin)有聚丙烯腈基(ji)，瀝青基(ji)及(ji)(ji)黏膠基(ji)3大類(lei)，每一類(lei)產品(pin)又(you)因原纖(xian)維種類(lei)、工(gong)藝(yi)及(ji)(ji)最終碳(tan)(tan)纖(xian)維性能等不(bu)同，又(you)分(fen)成(cheng)許多品(pin)種。“碳(tan)(tan)纖(xian)維”一詞(ci)實際上是多種碳(tan)(tan)纖(xian)維的(de)總稱，因此分(fen)類(lei)及(ji)(ji)命名就十分(fen)重要。

20世紀70年代末期，國際理(li)論(lun)與應用(yong)化學聯合會(IUPAC)曾對炭纖維(wei)(wei)的(de)(de)分類和命名作(zuo)了規定(ding)。首(shou)先用(yong)PAN(聚(ju)丙烯腈)，MP(中(zhong)間相瀝(li)青(qing))及(ji)VS(黏膠(jiao))表(biao)(biao)示(shi)(shi)碳(tan)(tan)纖維(wei)(wei)的(de)(de)類別，再以(yi)小寫英文字母表(biao)(biao)示(shi)(shi)熱(re)處理(li)溫度如lht(表(biao)(biao)示(shi)(shi)熱(re)處理(li)溫度，低于1400℃)，hht(熱(re)處理(li)溫度在2000℃以(yi)上)，然后(hou)再加上表(biao)(biao)示(shi)(shi)性(xing)能的(de)(de)符號(如HT表(biao)(biao)示(shi)(shi)高(gao)(gao)強(qiang)、HM高(gao)(gao)模(mo)、SHT超高(gao)(gao)強(qiang)、HTHS高(gao)(gao)強(qiang)高(gao)(gao)應變、IM中(zhong)模(mo)及(ji)UHM超高(gao)(gao)模(mo)等)。同時指(zhi)出，聚(ju)丙烯腈基(ji)，黏膠(jiao)基(ji)及(ji)普通型瀝(li)青(qing)基(ji)碳(tan)(tan)纖維(wei)(wei)均屬難石(shi)墨化的(de)(de)聚(ju)合物炭，而(er)中(zhong)間相瀝(li)青(qing)基(ji)炭纖維(wei)(wei)及(ji)氣相生長的(de)(de)碳(tan)(tan)纖維(wei)(wei)是易石(shi)墨化碳(tan)(tan)。

在(zai)第三次國(guo)際碳(tan)纖(xian)維會議(yi)上(1985年，倫敦)。曾建(jian)議(yi)按力學性(xing)能將碳(tan)纖(xian)維分成下列(lie)5級。

超高模(mo)量級(UHM):　 模(mo)量在395 GPa以上；

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

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

超高強(qiang)度(du)級(UHT):　 強(qiang)度(du)在3.5 GPa以上

模量在255 GPa以下；

高(gao)強度級(ji)(HT):　強度達3.5 GPa。

這兩種(zhong)(zhong)分(fen)級法都(dou)有不足(zu)之處(chu)。現在(zai)高性能碳纖(xian)維(wei)(wei)產品分(fen)類(lei)(lei)(lei)由(you)制造(zao)商自(zi)行標明：原纖(xian)維(wei)(wei)種(zhong)(zhong)類(lei)(lei)(lei)、單(dan)絲孔數、直徑、排列方式(如平行、纏(chan)結(jie)、加捻等)，有無(wu)表面處(chu)理(及(ji)其種(zhong)(zhong)類(lei)(lei)(lei))，有無(wu)上(shang)漿(及(ji)漿劑種(zhong)(zhong)類(lei)(lei)(lei))等。一些重要的高性能商品名稱及(ji)性能，可見(jian)聚丙烯腈基炭纖(xian)維(wei)(wei)和瀝青(qing)基炭纖(xian)維(wei)(wei)。

發展展望

20世紀90年代初，高(gao)(gao)(gao)性(xing)(xing)能及超(chao)高(gao)(gao)(gao)性(xing)(xing)能炭纖(xian)(xian)維(wei)(wei)已問世，預料今后工(gong)(gong)(gong)作將致力于完善(shan)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)、擴(kuo)大生(sheng)產、降(jiang)低(di)成本和(he)開發應用(yong)(yong)。一(yi)些特種碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)，如(ru)抗氧化(hua)碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(以提(ti)高(gao)(gao)(gao)復(fu)合材(cai)料的(de)(de)使用(yong)(yong)溫度)、低(di)纖(xian)(xian)度碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(做0.035mm超(chao)薄型(xing)預浸帶用(yong)(yong))、高(gao)(gao)(gao)導熱(re)低(di)電阻碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(以滿足屏(ping)蔽電磁、射(she)頻(pin)干擾用(yong)(yong)，并可散發多(duo)余的(de)(de)熱(re)能)、低(di)熱(re)膨脹系(xi)數碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(供衛星天(tian)線系(xi)統、反射(she)鏡等用(yong)(yong))，中(zhong)空碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)(用(yong)(yong)于飛機制造工(gong)(gong)(gong)業(ye)，提(ti)高(gao)(gao)(gao)復(fu)合材(cai)料的(de)(de)沖擊韌性(xing)(xing)，核反應堆中(zhong)的(de)(de)高(gao)(gao)(gao)溫過濾介質(zhi)，分(fen)離(li)生(sheng)物分(fen)子血清和(he)血漿用(yong)(yong)的(de)(de)介質(zhi))和(he)活性(xing)(xing)碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)，隨(sui)著科學及工(gong)(gong)(gong)程的(de)(de)發展(zhan)會有(you)很大發展(zhan)。氣相(xiang)生(sheng)長(chang)碳(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)近期內在穩定(ding)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)，連(lian)續化(hua)生(sheng)產方(fang)面會有(you)明顯進展(zhan)，工(gong)(gong)(gong)業(ye)化(hua)生(sheng)產的(de)(de)日期預料不會太(tai)遠。