碳纤维的性能与加工

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1、化学学院200911151035史颖颖碳纤维的性能与加工【摘要】文章介绍了碳纤维的概念、发展与现状、分类，以及碳纤维的性能与加工方法，还有碳纤维的应用。【关键词】碳纤维分类性能电化学改性干湿法射频法加工过程应用【正文】第一节碳纤维概述1.碳纤维的概念碳纤维，英文为CarbonFiber，简称CF。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。2．碳纤维的结构碳纤维的分子结构介于石墨与金刚石之间。目前公认的碳纤维结构是由沿纤维轴高度取向的二维乱层石墨组成。微晶的形状、大小、取向以及排列

2、方式与纤维的制备工艺相关。2.1结构单元石墨：六方晶系碳纤维：乱层石墨结构最基本的结构单元：石墨片层二级结构单元：石墨微晶(由数张或数十张石墨片层组成)三级结构单元：石墨微晶组成的原纤维。直径在50nm左右，弯曲，彼此交叉的许多条带状组成的结构2.2皮芯层结构CF由皮层、芯层及中间过渡区组成。皮层：微晶较大，排列有序。芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。3．碳纤维的缺陷3.1来源碳纤维中的缺陷主要来自两方面：原丝带来的缺陷与碳化过程带来的缺陷。原丝带来的缺陷在碳化过程中可能消失小部分，但大部分将保留下来，变成碳纤维的缺陷。而碳化过程带来的缺陷则在碳化过程中，大

3、量非C元素以气体形式逸出，使纤维表面及内部形成空穴和缺陷。3.2CF中缺陷的观察研究手段：扫描电镜(SEM)：研究纤维表面缺陷透射电镜(TEM)：研究纤维内部结构18化学学院200911151035史颖颖第二节碳纤维的现状及发展1．碳纤维的发展简史1860年，斯旺制作碳丝灯泡。1878年，斯旺以棉纱试制碳丝。1879年，爱迪生以油烟与焦油、棉纱和竹丝试制碳丝（持续照明45小时）。1882年，碳丝电灯实用化1911年，钨丝电灯实用化。1950年，美国Ｗright--Patterson空军基地开始研制黏胶基碳纤维。1959年，美国ＵＣＣ公司生产低模量黏胶基碳纤维“Ｔ

4、hornel—25”，日本大阪工业试验所的进藤昭男发明了ＰＡＮ基碳纤维。1962年，日本碳公司开始生产低模量ＰＡＮ基碳纤维（0.5吨/月）。1963年，英国皇家航空研究所（ＲＡＥ）的瓦特和约翰逊成功地打通了制造高性能ＰＡＮ基碳纤维（在热处理时施加张力）的技术途径。1964年，英国Ｃourtaulds,Morganite和Roii--Roys公司利用ＲＡＥ技术生产ＰＡＮ基碳纤维。1965年，日本群马大学的大谷杉郎发明了沥青基碳纤维美国ＵＣＣ公司开始生产高模量黏胶基碳纤维（石墨化过程中牵伸）。1970年，日本吴羽化学公司生产沥青基碳纤维（１０吨/月），日本东丽公司与

5、美国ＵＣＣ进行技术合作。1971年，日本东丽公司工业规模生产PAN基碳纤维（1吨/月），碳纤维的牌号为T300，石墨纤维为M40。1972年，美国Hercules公司开始生产PAN基碳纤维日本用碳纤维制造钓竿，美国用碳纤维制造高尔夫球棒。1973年，日本东邦人造丝公司开始生产PAN基碳纤维（0.5吨/月）日本东丽公司扩产5吨/月。1974年,碳纤维钓竿、高尔夫球棒迅速发展日本东丽公司扩产13吨/月。1975年,碳纤维网球拍商品化美国UCC公司公布利用中间相沥青制造高模量沥青基碳纤维“Thornel—P”美国UCC的高性能沥青基碳纤维商品化。1976年,东邦人造丝

6、公司与美国塞兰尼斯进行技术合作住友化学与美国赫格里斯（Hercules）成立联合公司。1979年,日本碳公司与旭化成工业公司成立旭日碳纤维公司。1980年,美国波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维。1981年,台湾台塑设立碳纤研究中心，日本三菱人造丝公司与美国Hitco公司进行技术合作。1984年,台湾台塑与美国Hitco公司进行技术合作，日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T800。1986年,日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T1000。1989年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维M60。1992年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维M70J,杨氏摸量高达

7、690GPa。2．世界碳纤维产业现状及我国碳纤维产业发展2.1世界碳纤维产业现状18化学学院200911151035史颖颖国际上碳纤维的研制开发源于60年代初,到进入工业化生产,经历了大约十年时间。碳纤维的主要生产国是日本和美国,主要消耗的国家和地区则依次为美国、日本和西欧。日本的碳纤维产量约占世界总产量的一半;但其消耗量仅占四分之一,美国的碳纤维产量虽然只占世界总产量的40%;但其消耗量却占世界总消耗量的一半左右。全球碳纤维生产量最大的两家公司均在日本,其中东丽公司(Toray)于1970年投产;1989年的生产能力已达到2250吨。1975年投产的东邦人造丝

8、公司(TohoBeslo