第一篇：碳纖維材料簡介

碳纖維材料簡介

從愛迪生首先將竹子纖維碳化成絲制成電燈燈絲.開啟了碳纖維應用的先河, 一直到今天碳纖維假肢力助'`刀鋒戰士'`皮斯托瑞斯讓他在倫敦奧運會的賽場上大放異彩碳纖維這種一直被認為是非常神秘的高科技材料如今正逐漸走入大眾的生活之中.我們周遭的很多產品上都或多或少地采用了這種材料,比如釣魚竿、網球拍自行車、汽車零部件等目前國外設計師也已經開始嘗試將這種高科技材料應用到家具產品中去, 給傳統的家具行業注入了新的活力。1 概述

碳纖維(C arb o n F.b e r.C F)是一種具有高強度和高模量的耐高溫纖維是化纖的高端品種, 一般按原料 的不同可將碳纖維分為聚丙烯晴基(po lva er丫Ion ,tr, le)碳纖維、瀝青(P lteh)基碳纖維和粘膠基(Vi so os e一ba sed)碳纖維等。其中聚丙烯晴基碳纖維由于碳化率較高(4 0 % 一4 5 %), 且生產過程和本相對后兩者要簡單低廉因此他的產量也是最大的.是目前世界碳纖維 的主流。但不論是哪種碳纖維, 其制造工藝都是十分復雜的簡單來說以聚丙烯晴基碳纖維為例制備需完成以下兩個基本過程:(1)熱穩定氧化處理

纖維原絲通過含有氧氣的高溫爐體(20 0 ℃ 一3 0 0 C)材料受熱軟化.內部結構由原先的聚丙烯睛的線狀結構, 轉成較穩定且堅固的六角形排列。(2)碳化或石墨化

經過氧化處理后的原絲在惰性氣體保護下加熱至I0 0 0 C 以上的高溫, 這時高分子結構中的氧、氫等元素會因受不了高溫紛紛奪門而出.最后遺留下來的就只剩碳了。

制備完成后的碳纖維束一方面具有一般碳素材料的共有特性.如耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等另一方面.從原子層面看碳纖維跟石墨很相似.是由一層層以六角型排列的碳原子所構成兩者之間的差別在于石墨是晶體結構它的層間連結松散.而碳纖維層間連結是不規則的這樣就可以防止層間的滑移.從而使碳纖維在沿纖維軸方 向表現出很高的強度。2 材料特點

從以上對碳纖維材料的制備介紹我們可以知道材料的獨特結構使其具有非常優異的物理化學性能碳纖維最優異的性能是比強度(抗拉強度/ 密度)和比模量(彈性模量/ 密度)超過一般的增強纖維。通常材料的比強度越高則構件自重愈小:比模量越高.則構件的剛度愈大.而碳纖維和樹脂形成的復合材料的比強度和比模量比鋼和鋁合金還高出幾倍, 這也是為什么現在越來越多需要高強度輕量化的產品都會使用這種材料的原因, 碳纖維也因此成為了`'輕量化“的代名詞。

此外.碳纖維材料還具有以下一些特性

（1）極佳的耐熱性(可耐20 0 0 c 的高溫)和尺寸穩定性(熱膨脹系數小)（2）由于碳纖維與基體復合可緩和破壞裂紋的擴展因此其疲勞強度非常高，(3)良好的耐腐蝕性和導電性以及電傳導及電磁波屏蔽性

(4)具有纖維般的柔曲性可編織和纏繞成型可加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等多種材料中制成復合材料應用靈活。《家具》2 0 1 2 年第6 期

第二篇：如何粘貼碳纖維材料

如何粘貼碳纖維材料？

粘貼碳纖維材料是碳纖維施工中非常重要的一部分。粘貼的好壞直接影響到施工的質量，如何粘貼才是最好的呢?

在粘貼碳纖維材料之前，首先應確認粘貼表面干燥。氣溫在-10℃以上，相對濕度RH>85%時，如無有效措施不得施工。為防止碳纖維受損，在碳纖維材料運輸、儲存、裁切和粘貼過程中。應用鋼直尺與壁紙刀按規定尺寸切斷碳纖維材料，每段長度一般以不超過6m為宜。為防止材料在保管過程中損壞，材料的裁切數量應按當天的用量裁切為準。碳纖維縱向接頭必須搭接20cm以上。該部位應多涂樹脂，碳纖維橫向不需要搭接。其施工工藝要點如下：

(1)粘貼樹脂的主劑、固化催促劑和固化劑應按規定的比例稱量準確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻。一次調和量應以在可使用時間內用完為準。

(2)粘貼時，在碳纖維和樹脂之間盡量不要有空氣。可用羅拉(專用工具)沿著纖維方向在碳纖維材料上滾壓多次，使樹脂滲浸入碳纖維中。

粘貼碳纖維材料后，需自然養護1-2小時達到初期固化，應保證固化期間不受外界干擾和碰撞，這樣加固之后才會非常的牢固。

第三篇：碳纖維論文

長春工業大學材料設計概論結業論文

論述碳纖維的制造技術及在航天發射領域的應用

王曉剛

20090573 1.摘要:碳纖維是一種力學性能優異的新材，在過去的二三十年里得到廣泛的研究。其含碳量在90%以上，與其它高性能纖維相比具有最高比強度和最高比模量。特別是在2000℃以上高溫惰性環境中，是唯一強度不下降的物質。此外，其還兼具其他多種得天獨厚的優良性能：低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動衰減性、低熱膨脹系數、導電導熱性、電磁屏蔽性、紡織加工性均優良等。因此，碳纖維復合材料也同樣具有其它復合材料無法比擬的優良性能，被應用于軍事及民用工業的各個領域，在航空航天領域的光輝業績，尤為世人所矚目。

關鍵詞:碳纖維,制造,航天領域,應用 2.碳纖維的制造 2.1發展歷程

碳纖維主要是由瀝青、人造絲和聚丙烯腈為主要原料而制造的，目前結構材料中主要使用PAN碳纖維。

1950年，美國Wright-Patterson空軍基地開始研制粘膠基碳纖維。1959年，最早上市的粘膠基碳纖維Thornel-25就是美國聯合碳化物公司(UCC)的產品。與此同時，日本研究人員也在1959年發明了用聚丙烯腈(PAN)基原絲制造碳纖維的新方法。在此基礎上，英國皇家航空研究院開發出了制造高性能PAN基碳纖維的技術流程，使其發展駛入了快車道，PAN基碳纖維成為當前碳纖維工業的主流，產量占世界總產量的90%左右。20世紀70年代中期，UCC在美國空軍和海軍的資金支持下，研發高性能中間相瀝青基碳纖維；1975年研發成功Thornel P-55(P-55)，在1980～1982年之間，又研發成功P-75、P-100和P-120，年產量為230t。P-120的模最高達965GPa，是理論值的94%，熱導率是銅的1.6倍，線膨脹系數僅為-1.33×10-6/K，且在375℃空氣中加熱1000h僅失重0.3%~1.0%，顯示出優異的抗氧化性能。它們已廣泛用于火箭噴管、導彈鼻錐、衛星構件、艦艇材料等方面。在20世紀80年代早期，碳纖維開始被廣泛地用在客機和航空飛行器上作為結構材料，主要在歐洲和北美進行應用。然后，人們提高了對碳纖維的認識，開始把它當成一種高質量的材料，并在20世紀80年代中期得到了飛速的增長在80年代中期，歐洲空客公司開始將CFRP(碳纖維增強塑料)作為首要的結構材料應用在飛機上，而且，隨著在網球和新的體育項目的應用，碳纖維市場得到了穩步的擴展。

長春工業大學材料設計概論結業論文

2.2PAN基碳纖維

PAN基碳纖維的制造分為兩步進行，長春工業大學材料設計概論結業論文

2.3瀝青基碳纖維

瀝青基碳纖維是僅次于PAN積極的

長春工業大學材料設計概論結業論文

硝酸、硫酸、高錳酸和過氧化氫等溶液。氧化溫度一般為200～400℃。在預氧化過程中，要求纖維氧化均勻，不應該形成中心過低、邊緣過高的皮芯結構。3.碳纖維的應用

3.1 航空領域應用的新進展

T300 碳纖維/樹脂基復合材料已經在飛行器上廣泛作為結構材料使用，目前應用較多的為拉伸強度達到5.5GPa，斷裂應變高出T300 碳纖維的30％的高強度中模量碳纖維T800H纖維。軍品

碳纖維增強樹脂基復合材料是生產武器裝備的重要材料。在戰斗機和直升機上，碳纖維復合材料應用于戰機主結構、次結構件和戰機特殊部位的特種功能部件。國外將碳纖維/環氧和碳纖維/雙馬復合材料應用在戰機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，數據顯示采用復合材料結構的前機身段，可比金屬結構減輕質量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%；復合材料垂直安定面可減輕質量32.24%。用軍機戰術技術性能的重要指標――結構重量系數來衡量，國外

長春工業大學材料設計概論結業論文

方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。繼A340對碳纖維龍骨梁和復合材料后密封框――復合材料用于飛機的密封禁區發起挑戰后，A380又一次對連接機翼與機身主體結構中央翼盒新的禁區發起了成功挑戰。僅此一項就比最先進的鋁合金材料減輕重量1.5噸。由于CFRP的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損。從而大大減少了油耗和排放，燃油的經濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15%--20%，成為

長春工業大學材料設計概論結業論文

美國WaterburyFiberCote Industries 公司以有充分來源的非航天級粘膠原絲新原料開發成功名為RaycarbC2TM 的新型纖維素碳布，并經受了美軍方包括加工、熱/結構性質及火焰沖刷試驗在內的全部資格測試，在固體發動機的全部靜態試驗中都證明該替代品合格，2004 年十一月，該碳布/酚醛復合材料已用于阿里安娜V Flight164上成功飛行。

圖 4: 法國阿里安娜V 型導彈

衛星、航天飛機及載人飛船

高模量碳纖維質輕，剛性，尺寸穩定性和導熱性好，因此很早就應用于人造衛星結構體、太陽能電池板和天線中。現今的人造衛星上的展開式太陽能電池板多采用碳纖維復合材料制作，而太空站和天地往返運輸系統上的一些關鍵部件也往往采用碳纖維復合材料作為主要材料。

碳纖維增強樹脂基復合材料被作航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等。美國發現號航天飛機的熱瓦，十分關鍵，可以保證其能安全地重復飛行。一共有8 種：低溫重復使用表面絕熱材料LRSI；高溫重復使用表面絕熱材料HRSI；柔性重復使用表面絕熱材料FRSI；高級柔性重復使用表面絕熱材料AFRI；高溫耐熔纖維復合材料FRIC―HRSI；增強碳/碳材料RCC；金屬；二氧化硅織物。其中增強碳/碳材料RCC，最為要的，它可以使航天飛機承受大氣層所經受的最高溫度1700℃。

隨著科學技術的進步，碳纖維的產量不斷增大，質量逐漸提高，而生產成本穩步下降。各種性能優異的碳纖維復合材料將會越來越多地出現在航空航天領域中，為世界航空航天技術的發展作出更大的貢獻。

4.結語

長春工業大學材料設計概論結業論文

碳纖維的優異性能使得其在國防和民用領域均有廣泛的應用。作為未來最有發展前景的新型結構材料，可以肯定碳纖維在21世紀將步入新的飛躍，應用領域也將更加廣泛。參考文獻

[1]周明英 碳纖維及其應用[J]山東紡織科技，2003（3）：48 [2]高瑞林 沈曾民 中國科學院山西煤炭化學研究所 基礎知識講座

[3]陳達軍 聚丙烯腈基碳纖維工廠設計實驗[J].江蘇紡織，2008，（8）：50-54.[4]汪家銘 聚丙烯腈基碳纖維發展與應用[J].化工新型材料，2009，37（8）：17.[5]毛德君 基碳纖維生產及應用[J].煉油與化工，2002，13（4）：3-12.[6]毛立新,陳獻桃,廖德仲等.氨基磺酸均相催化合成檸檬酸三丁酯[J].湖南理工學院學報(自然科學版),2005,18(2):36～38 [7]林德春 潘鼎 高健 陳尚開 碳纖維復合材料在航空航天領域的應用 [8]趙嫁祥 2008年世界碳纖維前景會[J].高科技纖維與應用，2008，33（5）：1-6

第四篇：碳纖維復合材料

碳纖維復合材料

摘要:主要介紹了碳纖維復合材料的基本概述，并對它的一些結構性能、應用（主要在航空領域的應用）、發展，并分析了目前我國碳纖維復合材料的研究進展和應用前景。

關鍵字：碳纖維復合材料、碳纖維樹脂基復合材料、碳／碳復合材料、結構性能、發展、航空領域。

1、引言

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90％以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的“比強度”。碳纖維屬于聚合物碳，是有機纖維經固相反應轉變為纖維狀的無機碳化合物。碳纖維是一種新型非金屬材料，它和它的復合材料具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱、比重小和熱脹脹系數小等優異性能，碳纖維單獨使用時主要是利用其耐熱性、耐蝕性、導電性和其它性質。碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP（即碳纖維復合材料）的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。目前，碳纖維不僅廣泛應用軍事工業，而且在汽車構件、風力發電葉片、核電、油田鉆探、體育用品、碳纖維復合芯電纜以及建筑補強材料領域也存在巨大應用空間，而其在航空領域的光輝業績尤為引人注目。

2、碳纖維的發展

碳纖維的出現是材料史上的一次革命。碳纖維是目前世界首選的高性能材料，具有高強度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導電、質輕、易加工等多種優異性能，正逐步征服和取代傳統材料。現已廣泛應用于航天、航空和軍事領域。世界各國均把發展高性能碳纖維產業放在極其重要的位置。碳纖維除了在軍事領域上的重要應用外，在民品的發展上有著更加廣闊的空間，并已經開始深入到國計民生的各個領域。在機械電子、建筑材料、文體、化工、醫療等各個領域碳纖維有著無可比擬的應用優勢。

碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要而產生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現，這在技術上是又一次飛躍，同時也標志著碳纖維的研究和生產已進入一個高級階段。經過二十多年的發展，碳纖維及其復合材料已從初創期轉入增長發展期，其工業地位已基本確立，美、日、英、法、德等國的碳纖維產量已經占世界產量的絕大部分，并已逐步形成壟斷優勢。

我國對碳纖維的研究由于起步較晚，技術力量薄弱，雖然碳纖維及其復合材料在我國已被納入國家“863”和“973”計劃，但總體情況不盡理想，我國仍不具備成熟的碳纖維工業化生產技術，國防和民用碳纖維產品基本依賴進口。

3、碳纖維復合材料的性能及主要用途

由于碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維經熱穩定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現出很高的強度，且碳纖維比重小。（1）碳纖維的化學性能

碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學性能穩定性極好的物質之一。這是歷史上最早就被人類認識的碳素材料的特征之一。除強氧化性酸等特殊物質外，在常溫常壓附近，幾乎為化學惰性。可以認為在普通的工作溫度≤250℃環境下使用，很難觀察到碳纖維發生化學變化。根據有關資料介紹，從碳素材料的化學性質分析，在≤250℃環境下，碳素材料既沒有明顯的氧化發生，也沒有生成碳化物和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結構，因此氣孔率高達25％左右，在加熱過程易產生吸附氣體脫氣情況，這樣的過程更有利于我們穩定電氣性能和在電熱領域的應用。（2）碳纖維的物理性能（a）熱學性質

碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于一般固體物質與溫度的依存性，從工業的應用角度來看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類而變化（b）導熱性質

碳素材料熱傳導機理并不依賴于電子，而是依靠晶格振動導熱，因此，不符合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據有關資料介紹，普通的碳素材料導熱系數極高，平行于晶粒方向的導熱系數可與黃銅媲美(c)電學性質

碳素材料電學性質主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關，石墨的電子能帶結構和載流子的種類及其擴散機理決定了上述性質。碳素材料這類電學性質具有本征半導體所具備的特征，電阻率變化主要與載流子的數量變化有關。

碳纖維的主要用途：

與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，做成結構材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。在剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維復合材料都頗具優勢。由碳纖維和環氧樹脂結合而成的復合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。最神奇的應用是采用長碳纖維制成的“納米繩”可以將“太空電梯”由理想變為現實，太空電梯將可以將乘客和各種貨物運送到空間軌道站上，也可以用這種“納米繩”將太空中發射平臺與地面固定在一起，在這樣的發射平臺上發射人造衛星和太空探測器就可以大大降低發射成本。

總結碳纖維復合材料的現實應用有以下幾個方面

（一）航天領域

碳纖維復合材料因其獨特、卓越的性能，在航空領越特別是飛機制造業中應用廣泛。統計顯示，目前，碳纖維復合材料在小型商務飛機和直升飛機上的使用量已占70％~80％，在軍用飛機上占30％~40％，在大型客機上占15％~50％。（a）碳纖維樹脂基復合材料 碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）具有質量輕

等一系列突出的性能，在對重量、剛度、疲勞特性等有嚴格要求的領域以及要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維復合材料都具有很大優勢。碳纖維增強樹脂基復合材料已成為生產武器裝備的

重要材料。AV—8B 改型“鷂”式飛機是美國軍用飛機中使用復合材料最多的機種，其機翼、前機身都用了石墨環氧大型部件，全機所用碳纖維的重量約占飛機結構總重量的26％，使整機減重9％，有效載荷比AV—8A飛機增加了一倍。數據顯示采用復合材料結構的前機身段，可比金屬結構減輕質量32.24%。用軍機戰術技術性能的重要指標——結構重量系數來衡量，國外第四代軍機的結構重量系數已達到27～28%。未來以F-22 為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機和無人駕駛飛機，已實現了結構的復合材料化。

直升飛機上碳纖維增強樹脂基復合材料的用量更是與日俱增。武裝了駐港部隊并參加了2007 年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演的直-9 型直升飛機，是我國先進的直升飛機。該機復合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生產的OH-1 “忍者”直升飛機，機身的40％是用CFRP，槳葉等也用CFRP 制造。在民用領域，世界最大的飛機A380 由于CFRP 的大量使用，創造了飛行史上的奇跡。這種飛機25%重量的部件由復合材料制造，其中22%為碳纖維增強塑料(CFRP)。由于CFRP 的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損，從而大大減少了油耗和排放。燃油的經濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15%~20%，成為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。(b)碳／碳復合材料

碳／碳復合材料是以碳纖維及其制品（碳氈或碳布）作為增強材料的復合材料。因為它的組成元素只有一個（即碳元素）,因而碳／碳復合材料具有許多碳和石墨材料的優點，如密度低（石墨的理論密度為2.3g/cm3）和優異的熱性能,即高的熱導率、低熱膨脹系數,能承受極高的溫度和極大的熱加速率，有極強的抗熱沖擊,在高溫和超高溫環境下具有高強度、高模量和高化學惰性。憑借著輕質難熔的優良特性，碳纖維增強基體的（C／C）復合摩擦材料在航空航天工業中得到了廣泛應用。航天飛機軌道的鼻錐和機翼前緣材料，都會選用碳碳復合材料。另外還大量用作高超音速飛機的剎車片，目前，國際上大多數軍用和民用干線飛機采均用碳纖維增強基體的復合材料剎車副。這種剎車副不僅質量輕、抗熱沖擊性好、摩擦系數穩定、使用壽命長，更為方便的是可設計性強，性能便于調節。還可制作發熱元件和機械緊固件、渦輪發動機葉片和內燃機活塞等。

（二）、其他領域 1)、高爾夫球棒

用CFRP制成的高爾夫球棒、可減輕重量約10一40％。根據動量守恒定律，可使球獲得較大的初速度。另一方面．CFRP具有高的阻尼特性，可使擊球時間延長,球被擊得更遠。2)、釣魚竿

碳纖維增強復合材料制成的釣魚竿比GFRP制品或竹竿都要輕得多，使其在撒竿時消耗能量少，而且撤竿距比后者遠20%左右。CFRP所制的釣魚竿長而好，剛性大，釣魚竿在彎曲之后能迅速復原，使其傳遞誘餌的感覺較為靈敏。現在已有商品銷售，用碳纖維增強塑料還可以制成漁具的卷鈾，其重量不超過l40克，但它的疲勞強度高，耐摩擦，因而使用壽命長。3)、賽車

用石墨纖維長絲制成的管材可用來制造比賽車或通用自行車的車架,其特點是重量輕，比鋼制架可減重50%左右，使自行車的總重量減輕15%。

碳纖維與玻璃纖維混合增強復合材料可用來制造越野賽汽車，它的特點是重量輕。用金屬材料制造的同樣車體的總重量為226.8公斤，用CFRP制造時為63.5公斤，用CF／GPRP制造時重量可減輕到31.8至36.5公斤。

在賽車領域，碳纖維復合材料最著名的運用無疑是F1車身。為了使重量保持最小，所有車隊都廣泛使用碳纖材料，而這些材料的強固性足以支撐車子的重量。

4.我國碳纖維復合材料發展現狀

現代的碳纖維是以聚丙烯腈、人造絲或木質素為原絲，將有機纖維跟塑料樹脂結合在一起高溫分解并且碳化后得到的，還不能直接用碳或石墨來制取。

據了解，目前全球碳纖維產能約3.5萬噸，我國市場年需求量6500噸左右，屬于碳纖維消費大國。在以“高性能聚丙烯腈碳纖維制備的基礎科學問題”為主題的第335次香山科學會議上，會議執行主席、國家自然科學基金委員會師緒院士指出，與國外技術相比，我國碳纖維領域還存在較大差距。2007年，我國碳纖維產能僅200噸左右，而且主要是低性能產品。由于缺少具有自主知識產權的技術支撐，目前國內企業尚未掌握完整的碳纖維核心關鍵技術。這就使得我國碳纖維在質量、技術和生產規模等方面均與國外存在很大差距，絕大部分高性能增強材料都長期依賴進口，價格非常昂貴。由于缺乏創新與集成和應用領域的拓展，極大地制約了我國碳纖維復合材料工業的發展。

基于我國高性能碳纖維復合材料產業尚不能滿足國民經濟快速、健康、持續發展的需求，國家發展改革委2008~2009 年組織實施高性能纖維復合材料高技術產業化專項，重點支持碳纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維及其高性能復合材料的生產技術及關鍵裝備的產業化示范，以滿足國民經濟以及航空航天等高技術產業發展的需求，培育一批具有國際競爭力的龍頭企業。這一舉措將為我國從材料大國轉變為材料強國奠定堅實的基礎。今年5月，由鷹游紡機自主研發的碳纖維生產線和神鷹碳纖維項目通過國家級驗收，標志著我國碳纖維生產已成功實現國產化和產業化。

第五篇：碳纖維資料總結

讀《碳纖維及石墨纖維》總結

一、碳纖維和石墨纖維的發展概況

1.研究碳纖維的先驅：

1860年，英國人約琴夫?斯旺（J.Swan）用碳絲制作燈泡的燈絲，早于美國人愛迪生（T.A.Edsion）。斯旺未能解決燈泡的真空問題，愛迪生解決的真空問題。斯旺提出利用孔口擠壓纖維素成纖維技術，為后來的合成纖維提供啟示。2.聚丙烯腈基碳纖維的發明者：

進藤昭男（日本大阪工業技術試驗所）從事碳素的崩散現象和崩散素膠狀粒子的研究以及反應堆所用碳材料中微量彭元素的去除。

進一步，他研究了民用腈綸在一些列熱處理過程中物性和結構的變化，即開始研制PAN基碳纖維。研究結論是PAN纖維需要經氧化處理才能得到碳纖維，確定了制取PAN基碳纖維的基本工藝流程，即氧化和碳化。但未能制造性能好的碳纖維。

英國人瓦特（W.Watt）在預氧化的過程中施加張力牽引打通了制取高性能碳纖維的流程工藝，從此牽伸貫穿于氧化和碳化的始終，成為制造碳纖維最重要的工藝參數。

目前，牽張力已細化和量化，在不同熱處理過程中施加適量的牽張力，以滿足結構的轉化。3.從東麗公司碳纖維發展歷程看原絲的重要性：

日本東麗公司在碳纖維的質量和產量均位于世界之首。公司發展啟示：原絲是制取高性能碳纖維1962年，公司采用民用腈綸為原絲，但生產不出質量較好的碳纖維。

1967年，研究適合制造碳纖維的共聚原絲，把提高PAN（聚丙烯腈）原絲質量放在第一位。目前主要經營T300（碳纖維，300為拉伸強度3Gpa），M40（石墨纖維,拉伸模量40Gpa）。1981年，波音公司提出高強度、大伸長的碳纖維需求，制造大型客機的一次結構材料。1984年，東麗公司成功研制T800，滿足波音公司需求。1986年，研制T1000；1992年，研制了M70J。

目前，T800H已經是制造大飛機（A380和B787）的主要增強纖維。T1000是碳纖維中拉伸強的前提。

度最高、斷裂伸長最大的碳纖維。M70J的拉伸模量最高達到690Gpa，是目前PAN基石墨纖維中最高的纖維。碳纖維的單絲截面的SEM圖從腎形（1976）變為圓形。圓形（2006）的碳纖維成為碳纖維質量的指標之一。

4.我國PAN基碳纖維的研究：

起始于20世紀60年代中期，中科院山西煤炭化學研究所于1976年建成我國第一條生產線。整經加捻送絲機（100束）->1#預氧化爐170~220℃和牽伸5%->2#預氧化爐220~240℃和牽伸1%->3#預氧化爐240~270℃和牽伸0%->低碳爐400~700℃->高碳爐1250℃->浸膠槽->紅外燈烘干->收絲機（100束）。加工后碳纖維的拉伸強度為2.8Gpa，拉伸模量為250Gpa，斷裂伸長率為1.5%。為了提高碳纖維的拉伸強度，當時采用補強處理。實驗表明碳纖維的拉伸強度越低其補強效果越好。補強可填補表面缺陷，有利于強度提高。但補強后的碳纖維，其表面會生成晶須和熱解浮碳，這便不利于復合材料層間剪切強度的提高。故補強工藝已經淘汰。

和國外的差距主要體現在：PAN原絲的質量不過關，強度低，伸長率的分散性太大，很難用同目前，國內碳纖維的生產大部分采用亞砜一步法。

目前，面臨的問題。自動化水平低；耗能大；低溫碳化爐的焦油多，影響生產周期；生產環境要一預氧化條件來氧化處理。

清潔；嚴格質量管理和質量檢測；創新，自主研發。5.PAN基碳纖維的分類：

有小絲束和大絲束之分：小絲束一般是指1~24K的碳纖維，大絲束一般是指48~540K的碳纖維。小絲束性能高，常用于航天航空等尖端技術領域。大絲束性能較低，為通用級碳纖維，用于一般工業。

小絲束碳纖維：一般經歷聚合、紡絲、預氧化、碳化、表面處理和上漿實現流水作業。原絲生產中，聚合和紡絲從溶劑上看，東麗和Cytec用的是DMSO，三菱和臺塑用的是DMF，東邦用的是ZnCl2，Hexcel用NaSCN，不管用哪種溶劑都可以紡出優質的原絲。相對而言DMSO要優于其他溶劑。大絲束碳纖維：碳纖維的主要生產公司是美國卓爾泰克（Zoltek）、碳纖維技術公司（Aldila）、東邦單納克斯（Toho Tenax）、德國西格里（SGL）和日本東麗公司。這些通用級的碳纖維廣泛用于民用工業。大絲束的價格低于小絲束，便于在民用工業應用。6.碳纖維的發展趨勢：

碳纖維的理論拉伸強度為180Gpa，拉伸模量為1020Gpa，其質量提升空間巨大。碳纖維的拉伸強度最高為T1000，拉伸強度為7.02Gpa，僅為理論值的4%左右； PAN基石墨纖維M70J，拉伸模量為690Gpa，為理論值的68%；

對于碳石墨材料，拉伸強度最高是石墨晶須，拉伸強度為21Gpa，是理論值的11.7%左右，拉伸模量為700Gpa，是理論值的69%左右。石墨晶須的直徑細，表面光滑無暇，缺陷小，因而拉伸強度高。故，細旦化、表面無暇是指提高拉伸的基本思路。

****結合目前習慣性叫法，滌綸長絲細旦纖維定義如下：細旦絲是指單絲纖度在1.0～0.5dpf的纖維，單絲纖度在0.5～0.1dpf的纖維稱為超細旦纖維，單絲纖度低于0.1dpf的纖維稱為微細旦纖維。細旦纖維生產一般采用單組份紡絲方法，超細旦纖維生產一般采用單組份紡絲方法或者共軛紡絲方法，而微細旦纖維一般采用共軛紡絲方法。

7.應用領域：

碳纖維的主要應用領域如下表所示。

碳纖維和石墨纖維的應用領域日益拓寬。飛機工業、汽車工業、新能源（風力發電）和基礎設施（1）飛機工業。設計減重和輕量化是永恒的主題。現代飛機已大量采用碳纖維復合材料，包括（2）汽車工業。用復合材料制造汽車，可使其輕量化，可降低行駛單位公里的燃油。同時，用是最大市場，而海洋油田是最大的潛在市場。戰斗機、直升機、無人飛機和大型民航客機。

壓縮天然氣代替燃料，可大幅度降低尾氣污染。用復合材料制造壓縮天然氣罐（CNG），將大量使用復合材料。電動汽車所用車載燃料電池也大量使用碳纖維紙等碳石墨材料。德國西格里（SGL）與寶馬（BMW）集團將組建合資企業，專門生產車用碳纖維及其織物，用于新的寶馬車型，使其輕量化。

（3）海洋油田。本領域將是碳纖維復合材料最大的潛在市場。為什么？

原因1：陸地上的開采可使用鋼材，而海水對鋼材的腐蝕十分嚴重，使用壽命大大減短。原因2：鋼材的密度大（7.8g/cm3），在海洋中需要大量的浮力，以防下沉（特別針對3000m深海油田），使用碳纖維復合材料比較合理。

（4）風力發電。制造3MW以上的大功率風電機組，葉片長度需在40m以上，需用輕而強、剛而硬的碳纖維復合材料制造，需用大量的碳纖維。

（5）碳纖維復合芯電纜。這種電纜（ACCC）已成功研制并得到實際應用，逐步取代鋼芯鋁鉸電纜（ACRS）。ACCC的特點是重量輕、強度高，可提高傳送容量和降低損耗，同時弛度小，可減少塔桿數和節約用地。

（6）基礎設施和土木建筑。公路、高速公路和鐵路橋梁的維修和增強加固的措施之一就是使用碳纖維復合材料。

二、聚丙烯腈纖維（PAN原絲）

1.聚丙烯腈的晶態及其多重結構： 1.1 聚丙烯腈的晶胞及構象： 聚丙烯晴（PAN）具有強極性氰基[-C≡N-]，賦予其結構和性能具有獨特的個性。在PAN的氰基中，氮原子的電負性大于碳原子，使氰基中碳原子與氮原子之間的電子云向氮原子一側偏移，使氮原子呈現出電負性，而碳原子呈現出電正性。所以，把氰基成為偶極子。由于誘導引發作用使與氰基相連的主鏈上的碳原子與氰基的碳原子之間的電子云偏向氰基的碳原子，形成極性較強的偶極矩。對于氰基，偶極矩μ為3.4D（1D=3.34×10-30C·m），是典型的強極性基團。

在同一大分子鏈上，由于氰基的極性相同，彼此排斥；在斥力作用下使氰基按一定的角度沿C軸（化學鍵連接的碳主鏈）螺旋排列，呈現出僵硬的對稱的圓棒體。這就是PAN的一級結構單元，即分子鏈棒狀構象。

這種分子鏈圓棒的直徑約為0.6nm左右，長度約為10~100nm；在大分子鏈之間相互吸引力的作用幾根至幾十根彼此平行緊密排列而形成緊密的晶區，紊亂堆砌的大分子鏈形成了無序的非晶區。1.2 聚丙烯腈的球晶及其多重結構： 目前，生產高性能的PAN原絲用均相溶液聚合一步法。在攪拌聚合的條件下，實現高速的轉化率（DMSO溶劑為95%左右，DMF溶劑為50%左右），得到高濃度（質量分數20%左右）的聚合紡絲液，容易生成球晶（spherulite）。球晶的生長過程可分為成核和生長兩個階段，即在均相成核初期，以大分子鏈為晶核，隨之生長為細長的原纖（fibril），再向發射狀生長，并在小角度方向成為延長的新生長點，鏈的生長直至鏈的終止，再經捆束形式而形成球狀外形，即球晶。

捆束狀可能是由于平行排列的原纖之間存在范德華力所致，而在捆綁束的兩端是鏈生長的活性原纖當然也會有其他狀態，如輻射狀態、蔥皮結構。這些取決于聚合條件及聚合組成。下表為原纖的多重結構。（A=0.1nm）點，迅速的鏈生長、鏈分枝而形成球形。球形的表面能最低，使其處于穩定狀態。

1.3 聚丙烯腈的構型：

在聚丙烯腈大分子鏈上，具有不對稱的碳原子，標記為C，即 呈現出兩種互成鏡像的不同構型。

?

構型有兩種，一是分子鏈構型，二是空間立構型。前者是指相同組成的分子中原子以不同序列連接，后者則是有相同原子序列連接而具有不同空間排列。根據Fischer投影法來分類，則會出現三種空間構型，即：

（1）全同立構（isotactic）在相鄰結構單元中同一種取代基全部排列在主鏈線（或平面）的同一側；（2）間同立構（syndiotactic）在相鄰結構單元中同一種取代基有規律性地排列在主鏈線的兩側；（3）無規立構（atactic）在相鄰結構單元中同一種取代基無規則地排列在主鏈線的兩側。

2.聚合：

丙烯腈的聚合屬于自由基加聚反應。

主要聚合方法可分為懸浮（suspension）、乳液（emulsion）和溶液法（solution）。溶液法又分為均相溶液聚合法和非均相溶液聚合法。

均相溶液聚合法是指溶劑既是聚合單體的良溶劑，又是聚合物PAN的良溶劑。這種聚合液不需非均相溶液聚合的特點是溶劑僅是聚合單體的良溶劑，而是PAN的不良溶劑；在聚合的過程中要分離就可直接用來紡絲，稱為一步法。

產生相分離，聚合物PAN沉淀出來，經分離、干燥后，再溶于良溶劑中得到紡絲液，再紡成纖維，稱為兩步法。顯然：一步法工藝先進，流程短，不僅大大降低生產成本，而且避免了繁瑣的兩步法過程中引入雜質的概率。目前，國內外高性能的原絲生產均采用均相溶液聚合一步法。一步法的溶劑分為有機溶劑或無機溶劑兩大類。

三、碳纖維的性質：

碳纖維和石墨纖維均具有優異的性能：

——碳纖維及石墨纖維/賀福編著.—北京：化學工業出版社，2010.7 1.密度小（1.7~2.0g/cm3）,質量輕，制成的構件減輕效果十分明顯。2.拉伸強度高（3~7GPa）,比強度高。3.拉伸模量高（200~650GPa）,比模量高。4.耐疲勞，疲勞強度高；抗蠕變，使用壽命長。5.耐磨損，具有優異的自潤滑性。6.具有優異的震動衰減性，阻尼性能優異。7.熱膨脹系數小（0~1.1×10-6/K）,尺寸非常穩定。8.熱導率好[10~160W/(m·K)],比熱導率更高。

9.在惰性環境中的耐熱性十分優異（2000~3000℃）；在氧化氣氛中只損耗，不熔融。10.耐腐蝕，適應環境性強。11.不生銹，不銹蝕，試驗壽命長。12.與生物相容性好。

13.導電（17~5μΩ·m）,是非金屬材料的良導體。14.具有屏蔽電磁波特性（EMI）。15.X射線透過性好，吸收小。16.柔軟可編，后加工性好。17.各向異性，設計自由度大。

四、碳纖維的測定：

1.Raman光譜研究碳纖維結構的多相性：

拉曼光譜屬于散射光譜。分析基于光源激光束照射到試樣時產生的散射現象，即與入射光頻率不物質分子引發的拉曼散射可用量子力學來解釋，即頻率為νo入射光可視為具有能量為?νo的光子。同的散射光譜。組成物質的分子或原子不同，其振動、轉動不同，因而產生的散射光譜也不同。當入射光照射到樣品時，絕大數光可透過樣品，僅有0.1%左右的入射光與試樣發生非彈性碰撞而產生拉曼光散射光譜。根據能量守恒定律，則有以下公式，即

?νo+Εo= ?ν+Ε

ΔΕ=Ε?Εo=?(νo?ν)= ?Δν

其中：ΔΕ是分子發生非彈性碰撞前后的能量差；Δν是相應的拉曼光譜頻率的位移（拉曼頻移）。拉曼頻移Δν大小與入射光的頻率νo無關，只與分子的能級結構有關。

這也就是說，拉曼頻移是分子的振動頻率或轉動頻率。不同物質分子具有不同的能級結構，因而具有不同的拉曼頻移Δν、拉曼線譜數目和拉曼相對強度。