碳素纤维简介.doc

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1、碳素纤维又称碳纤维（CarbonFiber，简称CF）。在国际上被誉为“黑色黄金”，它继石器和钢铁等金属后，被国际上称之为“第三代材料”，因为用碳纤维制成的复合材料具有极高的强度，且超轻、耐高温高压。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。1880年美国爱迪生首先将竹子纤维碳化丝，作为电灯泡内之发光灯丝

2、，开启了碳纤维（CarbonFiber，简称CF）之纪元。碳纤维用在结构材料，首先问世者，则以美国UnionCarbide公司（U.C.C.）为代表，并于1959年将嫘萦纤维为原料，经过数千百度之高温碳化后，得到弹性率约40GPa，强度约为0.7GPa之碳纤维；尔后，1965年该公司又用相同原料于3000℃高温下延伸，开发出丝状高弹性率石墨化纤维，弹性率约500GPa，强度约为2.8GPa。另外，于日本大阪工业技术试验所之进藤博士，则以Polyacrylonitrile（简称PAN）聚丙烯腈为原料，经过氧化与数千度之碳化工程后，得到弹性率为160G

3、Pa，强度为0.7GPa之碳纤维。1962年日本碳化公司（NipponCarbonCo.）则用PAN为原料，制得低弹性系数（L.M.）之碳纤维。东丽公司亦以PAN纤维为原料，开发了高强度之CF，弹性率约为230GPa，强度约为2.8GPa，并于1966年起有每月量产1吨之规模；同时亦开发了碳化温度2000℃以上之高弹性率CF，弹性率约400GPa，强度约为2.0GPa。于1965年，群马大学大谷教授，利用加热氯乙烯（VinylChloride）得到之沥青（Pitch），经过熔融纺丝、不融化与碳化工程处理后，得到普通级碳纤维；大谷教授亦可利用木质素（

4、Lignin）为原料制作碳纤维。碳纤维之需求量虽逐渐扩大，但1991年以后冷战结束后，军事用途之使用量萎缩，复因泡沫经济与景气萧条，供需失去平衡，产业受到冲击。然而，美国波音公司新锐机型B777之生产，加上土木、建筑、汽车与复合材料之扩大应用，碳纤维产业逐渐缓步成长中。2.碳纤维之种类经高温处理后，其含碳量超过90％以上之纤维材料，称之为碳纤维。碳纤维之种类分类有许多方法，可依原料、特性、处理温度与形状来分类。若依原料可分为纤维素纤维系之嫘萦（Rayon）系与木质（Lignin）系；聚丙烯腈（Polyacrylonitrile）系；沥青（Pitch

5、）系；酚树脂系与气相碳纤系等六种。若依特性则分为普通碳纤维；高强度高模数碳纤维与活性碳纤维等三种。普通碳纤维之强力在120㎏/㎜2以下，杨氏模数（Young掇Modulus）在10000㎏/㎜2以下者称之；高强度高模数者，则强力在150㎏/㎜2以上，模数在17000㎏/㎜2以上时称之。若依加工处理温度分类时，则可分为耐炎质；碳素质与石墨质等三种。耐炎质碳纤之处理加热温度为200～350℃，可供作电气绝缘体；碳素质碳纤之处理加热温度为500～1500℃，可供电气传导性材料用；石墨质碳纤之处理加热温度在2000℃以上，除耐热性与电气传导性提高外，亦

6、具自我润滑性。若按碳纤维制品之形状分类时，可分为棉状短纤维；长丝状连续纤维；纤维束（Tow）；织物；毡毯与编制长形物等。3.碳纤维之研制3.1嫘萦系碳纤维嫘萦纤维素纤维加热处理时不会熔融，若在无氧状态下的不活性气体（InertGas）中加热处理，则极易取得碳纤维。3.2聚丙烯腈系碳纤维聚丙烯腈（PAN）系碳纤维之制造工程大致可分为聚丙烯腈纤维之制备；安定化工程（耐炎化）；碳化工程；表面处理与上浆工程；石墨化工程等五个程序。3.3沥青系碳纤维原油经900℃以上之高温提炼后的残渣中，约含有95wt％之碳质，若以电解法去除其中之硫酸，再经水洗后

7、可得纯度极佳之沥青（Pitch）。3.4气相成长碳纤维气相成长碳纤维有基材上成长法与流体化触媒成长法两种。将铁、钴、镍等金属微粒（M）加热至1100℃，令乙炔（C2H2）热分解脱氢形成碳素沈积成长于金属微粒下方，形成碳纤维。为基材上成长法之简图，可知其间须喂入氢（H2）气与苯（C6H6）等气体。3.5活性碳纤维目前商业化之活性碳的形态有粉末状；颗粒状与纤维状等三种，其中粉末状活性碳（PowderedActivatedCarbon，简称PAC），大多由木屑制成，平均尺寸约为15～25μm；颗粒状活性碳（GranularActivatedCarbon，

8、简称GAC），大致由煤、沥青粉末制成，平均尺寸约为4～6㎜；纤维状活性碳（ActivatedCarbonFiber，简称A