碳纖維的性能與加工

1、化學(xué)學(xué)院200911151035史穎穎1碳纖維的性能與加工碳纖維的性能與加工【摘要摘要】文章介紹了碳纖維的概念、發(fā)展與現(xiàn)狀、分類，以及碳纖維的性能與加工方法，還有碳纖維的應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞關(guān)鍵詞】碳纖維分類性能電化學(xué)改性干濕法射頻法加工過程應(yīng)用【正文正文】第一節(jié)第一節(jié)碳纖維概述碳纖維概述1.碳纖維的概念碳纖維，英文為CarbonFiber，簡稱CF。碳纖維是指由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，是纖維中含碳量在95%左右的碳纖

2、維和含碳量在99%左右的石墨纖維。2碳纖維的結(jié)構(gòu)碳纖維的分子結(jié)構(gòu)介于石墨與金剛石之間。目前公認(rèn)的碳纖維結(jié)構(gòu)是由沿纖維軸高度取向的二維亂層石墨組成。微晶的形狀、大小、取向以及排列方式與纖維的制備工藝相關(guān)。2.1結(jié)構(gòu)單元石墨：六方晶系碳纖維：亂層石墨結(jié)構(gòu)最基本的結(jié)構(gòu)單元：石墨片層二級(jí)結(jié)構(gòu)單元：石墨微晶(由數(shù)張或數(shù)十張石墨片層組成)三級(jí)結(jié)構(gòu)單元：石墨微晶組成的原纖維。直徑在50nm左右，彎曲，彼此交叉的許多條帶狀組成的結(jié)構(gòu)2.2皮芯層結(jié)構(gòu)CF

3、由皮層、芯層及中間過渡區(qū)組成。皮層：微晶較大，排列有序。芯層：微晶減小，排列紊亂，結(jié)構(gòu)不均勻。3碳纖維的缺陷3.1來源碳纖維中的缺陷主要來自兩方面：原絲帶來的缺陷與碳化過程帶來的缺陷。原絲帶來的缺陷在碳化過程中可能消失小部分，但大部分將保留下來，變成碳纖維的缺陷。而碳化過程帶來的缺陷則在碳化過程中，大量非C元素以氣體形式逸出，使纖維表面及內(nèi)部形成空穴和缺陷。3.2CF中缺陷的觀察研究手段：掃描電鏡(SEM)：研究纖維表面缺陷透射電鏡(T

4、EM)：研究纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)院200911151035史穎穎3國際上碳纖維的研制開發(fā)源于60年代初到進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)經(jīng)歷了大約十年時(shí)間。碳纖維的主要生產(chǎn)國是日本和美國主要消耗的國家和地區(qū)則依次為美國、日本和西歐。日本的碳纖維產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的一半但其消耗量僅占四分之一美國的碳纖維產(chǎn)量雖然只占世界總產(chǎn)量的40%但其消耗量卻占世界總消耗量的一半左右。全球碳纖維生產(chǎn)量最大的兩家公司均在日本其中東麗公司(Tay)于1970年投產(chǎn)1989年的生

5、產(chǎn)能力已達(dá)到2250噸。1975年投產(chǎn)的東邦人造絲公司(TohoBeslon)1988年的產(chǎn)量為1420噸1990年的產(chǎn)量則達(dá)到2020噸。這兩家公司還在美歐等地建有多家生產(chǎn)廠。2.2我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展以聚丙烯腈為原絲的碳纖維已廣泛應(yīng)用于航空航天、體育用品及其它工業(yè)領(lǐng)域。我國自上世紀(jì)60年代開始研制碳纖維以來。已形成了以江蘇、吉林、山東和山西等的幾塊生產(chǎn)基地，產(chǎn)業(yè)化企業(yè)達(dá)10多家。近幾年，我國碳纖維行業(yè)產(chǎn)能有了較大增長，但實(shí)際產(chǎn)量仍很低

6、，質(zhì)量水平和穩(wěn)定性同國外產(chǎn)品相比還存在很大差距，尤其是原絲的質(zhì)量和數(shù)量還無法滿足碳纖維生產(chǎn)的要求。我國每年仍需從國外進(jìn)口大量的碳纖維。我國從上世紀(jì)60年代后期開始研制碳纖維，至今已有近40年的歷史。到目前為止，工藝路線以一步法為主，紡絲方法除濕法外，也有干濕法，見表l。表1國內(nèi)PAN原絲制備主要工藝路線我國碳纖維工業(yè)的今后發(fā)展，應(yīng)從以下幾方面做好工作：1堅(jiān)持自主創(chuàng)新發(fā)展碳纖維；2加強(qiáng)“產(chǎn)、學(xué)、研”共同開發(fā)；3發(fā)揮傳統(tǒng)化纖強(qiáng)勢企業(yè)在碳纖維