碳纤维综述性论文1.doc

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1、摘要：碳纤维是指由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，是纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。碳纤维是一种新型材料，本文主要论述了碳纤维的分类及性质、生产、制造、加工，并论述了碳纤维的改性以及用途和发展前景等。关键词：碳纤维、生产、加工、应用领域、发展趋势；前言：碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用

2、方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。 一、碳纤维的分类 按制作原料分：(1) 纤维素基（人造丝基）(2) 聚丙烯氰基 (3)沥青基（各向同性、各向导性中间相）。 按制造方法和条件分：(1) 碳纤维（炭化温度在8001600时得到的碳纤维）(2) 石墨纤维（炭化温度在20003000时得到的碳纤维）(3) 活性炭纤维 (4) 气相生长纤维。 按性能分：(1) 一般型（GP，在通电部件、耐热隔热体、滑动部分、耐腐蚀材料等领域使用一般型。）(2) 高性能型（HP,其中高性能型分为高强型及高模型，通常大多数应用领域使用高性能型）在通电部件、

3、耐热隔热体、滑动部分、耐腐蚀材料等领域使用一般型。按状态分：(1)长丝 (2)短纤维 (3)短切纤维。 二、碳纤维的性质2.1碳纤维的物理性能 优点：1）密度小，质量轻，比强度高。碳纤维的密度为1.52g/cm3，相当于钢密度的1/4，铝合金密度的1/2。而其比强度比刚大16倍，比铝合金大12倍。2）强度高。其拉伸强度可达30004000MPa，弹性比钢大45倍，比铝大67倍。3）弹性模量高。4）具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度的升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂。5） 导电性好，25时高模量纤维为775/cm，高强度纤维为1500/cm。6）耐高温和耐

4、低温性好。碳纤维可在2000下使用，在3000非氧化气氛下不融化、不软化。在-180低温下，钢铁变得比玻璃脆，而碳纤维依旧很柔软，也不脆化。 缺点：耐冲击性较差，容易损伤。2.2碳纤维的化学性能 优点：1）耐酸性能好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为50%的盐酸、硫酸、磷酸中，200天后其弹性模量、强度和直径基本没有变化；在50%浓度的硝酸中只是稍有膨胀，其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。 2）此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。 缺点：在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须

5、进行表面处理。三、碳纤维的制造及生产 碳纤维是不能用碳作原料制造的，工业上制造碳纤维是以有机纤维作原料，在没有氧气的情况下经过高温处理转化而形成的。通常用以下几种方法制得。（1）用纤维素制造碳纤维，一般是以人造丝做原料。（2) 用聚丙烯氰纤维制造碳纤维，以纯粹的丙烯氰聚合而成，再经过特殊工艺得到连续纤维作原料。 粘胶基碳纤维的生产：生产时，首先将纤维置于氮等惰性气体中作低温（400度以下）稳定化处理，进行预氧化，然后在400度以上实现芳构化过程，获得石墨类结构，从而形成碳纤维和石墨纤维。这样一个热解碳化处理过程在五个温度阶段中实现。 第一阶段：升温至50150度，排出吸附水。 第二阶段：升温至

6、150240度，纤维素环上的羟基将以水的形式脱除。 第三阶段：升温至240400度，键断裂，生成水，CO,CO2，达到400度时，整个纤 维素破坏，生成C4残链。 第四阶段：升温至400700度，通过芳构生成碳的六元环，同时释放氢和甲烷等，再升温至9001600度，即生成石墨类结构，形成碳纤维。 第五阶段：温度再升高，即形成沿纤维轴取向的乱层石墨成片，在温度升高至22002800度的石墨化温度时，形成石墨纤维，利用塑性拉伸，可使纤维的拉伸强度和初始模量大幅度提高。四、碳纤维的加工4.1原丝的选择条件： 强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。加热时不熔融，可牵伸，且CF产率高。常用的CF原丝：聚丙

7、烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维。4.2碳纤维的加工方法碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在350以上的高温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在3800K以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，采用间接方法来制造。通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体原丝一预氧化丝一碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN) 纤维为原料，干喷湿纺和射频法

8、新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法(干法和湿法纺丝)。4.2.1干喷湿纺法 干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条。纺出的纤维体密度较高，表面平滑无沟槽，且可实现速纺丝，用于生产高性能、 高质量的碳纤维原丝。干喷湿纺装置常为立式喷丝机，从喷丝板喷出的纺丝液细流经空气段(干段) 后进入凝固浴，完成干喷湿纺过程；再经导向辊、 离浴辊引入的丝条经后处理得到PAN纤维。 4.2.2射频法 PAN原丝经过预氧化(200350，射频负压软等离子法)、碳化(800

9、 1200，微波加热法)到石墨化(2400 2600，射频加热法)，主要受到牵伸状态下的温度控制。在这一形成过程中达到纤维定型、碳元素富集，分子结构从聚丙烯腈高分子结构一乱层的石墨结构一三维有序的石墨结构。 国内有自主知识产权的“射频法碳纤维石墨化生工艺”开辟了碳纤维生产的创新之路，它采用射频负压软等离子法预氧化 PAN原丝，接着用微波加热法碳化，最后用射频加热法石墨化形成小丝束碳纤维。 4.3 碳纤维的加工过程碳纤维的生产制造过程基本相仿 ,主要有预氧化(即稳定化) 、低温碳化、高温碳化(又称石墨化) 、表面处理、 上浆和干燥等六大工艺步骤。目前生产的高强、高模CF主要是用PAN纤维为原料来

10、制造的。以PAN为原丝制造CF为例，其基本工艺流程为：五、碳纤维的改性5.1 表面改性的原因由于碳纤维表面惰性大、表面能低，缺乏有化学活性的官能团，反应活性低，与基体的粘结性差，界面中存在较多的缺陷，直接影响了复合材料的力学性能，限制了碳纤维高性能的发挥，因此可以通过表面改性提高其浸润性和粘结性。5.2 表面改性机理 （1）表面粗糙度(增加表面粗糙度有利于碳纤维与基体树脂的机械嵌合)。 （2）石墨微晶大小(微晶越小，活性碳原子的数目就越多，越有利于纤维与树脂的粘合)。 （3）碳纤维表面官能团种类与数量(官能团如-OH)，经表面处理后，碳纤维表面石墨微晶变细，不饱和碳原子数目增加，极性基团增多，

11、这些都有利于复合材料性能改善。5.3 碳纤维的氧化处理方法（1）气相氧化法 气相氧化使用的氧化剂有空气、氧气、臭氧等含氧气体。氧化处理后，碳纤维表面积增大，官能基团增多，可以提高复合材料界面的粘接强度和材料的力学性能。如把碳纤维在450下空气中氧化10min，所制备的复合材料的剪切强度和拉伸强度都有提高；采用浓度0.5-15mg/L的臭氧连续导入碳纤维表面处理炉对碳纤维进行表面处理，经处理后碳纤维复合材料的层间剪切强度可达78.4-105.8MPa。(2)液相氧化法 液相氧化处理对改善碳纤维/树脂复合材料的层间剪切强度很有效。硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢和过硫酸钾等都可以用于对碳纤维

12、进行表面处理。硝酸是液相氧化中研究较多的一种氧化剂，用硝酸氧化碳纤维，可使其表面产生羧基、羟基和酸性基团，利于提高纤维与基体材料之间的结合力。(3）电化学氧化电化学氧化处理利用了碳纤维的导电性，一般是将碳纤维作为阳极置于电解质溶液中。机理是通过电解所产生的活性氧来氧化碳纤维表面而引入极性基团，从而改善纤维的浸润、粘敷特性及与基体的键合状况，显著增加碳纤维复合材料的力学性能。碳纤维表面氧化状况可以通过改变反应温度、电解质浓度、处理时间和电流密度等条件来进行控制。六、碳纤维的作用及应用领域6.1 碳纤维的作用 （1）有超强吸附能力，对有害化学物质和气体能起到吸收、分解异味的作用，碳元素能自动调节湿

13、度。 （2）碳元素还在常温下可以释放负离子和远红外线，并能有效减弱磁波辐射等功能。 （3）净化床垫自身，吸尽人体汗液在床垫上残留形成的潮湿，分解具有自洁功能创造一个洁净的睡眠空间。6.2 碳纤维的应用领域 碳纤维是发展国防军工与国民经济的重要战略物资，属于技术密集型的关键材料，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐普及。在当今世界高速工业化的大背景下，碳纤维用途正趋向多样化。中国已经有使用长纤作为高性能纤维的一种，在要求高温，物理稳定性高的场合，碳纤维复合材料具备不可替代的优势。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，正是由于兼

14、具优异性能，碳纤维在国防和民用领域均有广泛的应用前景。6.2.1 复合材料 碳纤维在传统使用中除用作绝热保温材料外。多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维已成为先进复合材料最重要的增强材料。由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点，已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。高性能碳纤维是制造先进复合材料最重要的增强材料。6.2.2 土木建筑 土木建筑领域：碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固

15、补强，在铁路建筑中，大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用，这些也将是碳纤维很有前景的应用方面。具有密度小， 强度高， 耐久性好， 抗腐蚀能力强， 可耐酸、碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强的特点。用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶， 比钢材轻50%左右，使大型结构物达到了实用化的水平， 而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外，碳纤维做补强混凝土结构时，不需要增加螺栓和铆钉固定，对原混凝土结构扰动较小，施工工艺简便。6.2.3 航空航天 碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料。将碳纤维复合材料应用在战略导弹的弹体和发动机壳体上，可大大减轻重量，提高导弹

16、的射程和突击能力，碳纤维比铝轻但强度相似。由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量，因而可显著提高燃料效率。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机以及卫星、火箭等宇宙飞行器，噪音小，而且因质量小而动力消耗少，可节约大量燃料。6.2.4 汽车材料 碳纤维材料也成为汽车制造商青睐的材料，在汽车内外装饰中开始大量采用。碳纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大，重量仅相当于钢材的20%到30%，硬度却是钢材的10倍以上。所以汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化，取得突破性进展，并带来节省能源的社会效益。虽然碳纤维的看起来像塑料，但实际上这种材料抗冲击性比钢铁强，特别是用碳纤维做成的方向盘，机

17、械强度和抗冲性更高。6.2.5 纤维加固 碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种。现有建筑中有相当一部分由于当时设计荷载标准低造成历史遗留问题，一些建筑由于使用功能的改变，难以满足当前规范使用的需求，亟需进行维修、加固。常用的加固方法有很多，如：加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、碳纤维加固法等。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。由于中国具有世界上最为巨大的土木建筑市场，碳纤维加固建筑结构的应用将呈现不断增长的的趋势。6.2.6 体育用品 碳纤维在运用在运动休闲领域中，像球杆、钓鱼竿、网球拍羽毛球拍、自行车、滑雪杖、滑雪板、帆板桅杆、航海船体

18、等运动用品都是碳纤维的主要用户之一。七、碳纤维的发展趋势7.1 国外碳纤维的发展趋势 自从碳纤维工业化生产以来，世界各国都特别重视其应用开发。随着价格不断降低，其应用范围从满足性能要求高的航空、航天领域逐步向文体和民用领域推广。目前，纤维的市场需求在北美、欧洲、亚洲基本上呈鼎足之势。按应用领域划分，世界聚丙烯腈基碳纤维主要用于宇航、文体休闲用品、其它工业等领域，其总体消费比例分别为25.2%，31.4%，43.4%，不同地区各有侧重。 由于碳纤维复合材料具有高比强度、设计性好、结构尺寸稳定性好、抗疲劳断裂性好和可大面积整体成型，以及特殊的电磁性能和吸波隐身的特点，目前已大量用于生产军用、民用飞

19、机以及战略导弹和运载火箭上，需求量稳步增长。 由此可见，当前世界碳纤维有如下发展趋势：产品性能趋向于高性能化；价格将大幅度降低；航天航空和文体用品领域用量稳定增加，民用工业用量增幅较大，已超过前两者。特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，其价格将不断降低，民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋势。7.2 国内碳纤维的发展趋势 尽管我国碳纤维生产发展缓慢，但消费量却与日俱增，市场需求旺盛，主要集中在文体用品和航空航天方面，一般产业需求增长也比较迅速。近年来，随着市场需求的增加，特别是国防、军工、航天航空、体育用品方面的需求增加，每年主要依靠从国外进口碳纤维以满足要求，据统计2002-2013年国内碳

20、纤维消费年均增长率超过20%，目前国内的市场需求量约为2500t/a，主要依靠进口。国内碳纤维主要应用领域见表。类别 应用领域成熟市场航空、航天及国防领域：飞机、卫星、火箭、导弹、雷达等 体育休闲品：高尔夫球、渔具、网球拍、羽毛球拍、箭杆、自行车、赛艇等新兴市场碳纤维基增强工程塑料、压力容器、建筑补强、风力发电叶片、摩擦材料、深海油田的钻进平台等待开发市场汽车零部件、医疗机械等 通过对国内市场需求进行广泛深入的调研发现， 近几年体育和休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的年需求量迅速增长，从我国航空航天技术的发展来看，也急需高性能碳纤维及其复合材料。 总结：国内PAN基碳纤维材料加工业已初具规模，

21、有一定的技术基础和市场开发能力，市场需求比较旺盛，但碳纤维的生产远远不能满足市场需求，需大量进口。此外，考虑到我国碳纤维的应用还在不断发展，许多用途还有待开发，如碳纤维在工程修补增强方面、飞机和汽车刹车片、汽车和其他机械零部件的应用以及电子设备套壳、集装箱、医疗器械、深海勘探和新能源的开发等方面都将是我国碳纤维未来的潜在消费市场，对碳纤维的需求量将更大。因此，未来我国碳纤维的市场需求前景广阔，潜力极大。参考文献：1张家杰.国内外碳纤维生产现状及发展趋势J.护工技术经济.2005,4(23):1219.2胡志鹏.碳纤维生产技术及市场J.中国石油和化工经济分析.2006,17:2225.3钱伯章,朱建芳.碳纤维发展现状及市场分析J.合成纤维SFC.2007,7:1017.4丁新波,宴雄.碳纤维的生产及应用现状J.纤维技术.2004,6：6973.5秦岩,周镇.碳纤维技术进展及应用前景J.国外建材科技.2003,3(24):4345.6李昌华.碳纤维的性能与用途J.广西化纤通讯,2002(2):2324.7郭云霞，刘杰，梁节英电化学改性PAN基碳纤维表面及其机理探析J无机材料学报，2009,24(4):853.8贺福碳纤维与石墨纤维M化学工业出版社，2010:282.