碳纤维carbon fibre
分类 碳纤维按原丝种类可分为聚丙烯腈基、沥青基、粘胶基及酚醛基等,按力学性能则可分为通用型(GP)与高性能型(HP)两类。通用型碳纤维强度 1000MPa、模量100GPa左右,高性能型碳纤维又可分为高强型(强度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量在 300GPa以上)。强度大于4000MPa者称为超高强型;模量大于450GPa者称为超高模型。随着航天和航空工业的发展,还出现了高强高伸型(强度大于 49000MPa、延伸度大于2%)新品种。80年代,用量最大是强度3~35000MPa、模量150~300GPa的聚丙烯腈基碳纤维,约占碳纤维总量的80%、高性能碳纤维的99%,被称为碳纤维的标准品。
生产方法 ①原丝制备,聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿法纺丝制得,沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。制备高性能聚丙烯腈基碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝,制备原丝用的共聚单体为衣康酸等。制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相(苯可溶各向异性沥青)和潜在中间相(喹啉可溶各向异性沥青)等。作为烧蚀材料用的粘胶基碳纤维,其原丝要求不含碱金属离子。②预氧化(聚丙烯腈纤维200~300℃)、不熔化(沥青200~400℃)或热处理(粘胶纤维240℃),以得到耐热和不熔的纤维,酚醛基碳纤维无此工序。③碳化,其温度为:聚丙烯腈纤维1000~1500℃,沥青1500~1700℃,粘胶纤维400~2000℃。④石墨化,聚丙烯腈纤维为2500~3000℃,沥青2500~2800℃,粘胶纤维3000~3200℃。⑤表面处理,进行气相或液相氧化等,赋予纤维化学活性,以增大对树脂的亲和性。⑥上浆处理,防止纤维损伤,提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不同的断面结构(见图)。 用途 碳纤维有长丝、短纤维、短切纤维等,可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料,如金属涂层纤维。长丝和纤维织物一般加工成预浸料。此外,还可不经碳化和石墨化生产聚丙烯腈预氧化丝和活性炭纤维。碳纤维除用作绝热保温材料外,一般不单独使用,常加入树脂(见彩图)、金属、陶瓷和混凝土等,构成相应的复合材料,用于制作飞机结构材料、火箭外壳、宇宙机械、高尔夫球棒、球拍、机动船、电波屏蔽除电材料、电视机天线、离心分离机的高速转子、工业机器人、汽车板簧及驱动轴、人工韧带等身体代用材料等。
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