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碳纤维结构与特性碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5至8微米。在原子层面的碳纤维跟石墨很相近，是由一层层以六角型排列的碳原子所构成。两者差别在于层与层之间的连结。石墨是晶体结构，它的层间连结松散，而碳纤维不是晶体结构，层间连结是不规则的。这样便防止滑移增强物质强度。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa·g-1·cm3以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa·g-1·cm3左右，其比模量也比钢高。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。小直径气相生长碳纤维的强度比大直径的强度要大。一般碳纤维的密度为1750 kg/m3。导热能力高但导电能力差，碳纤维的比热容量亦比铜低。当加热的时候，碳纤维会变厚而短。碳纤维（carbon fiber）不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。化学性质　　碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，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，碳纤维在使用前须进行表面处理。制备　　碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。基体法：将石墨作基体，用含有金属元素的溶液浸泡后，用作催化剂前驱体，高温下通入碳氢气体化合物，在催化剂的作用下碳氢气体分解并在催化剂颗粒的一侧析出纳米级纤维状碳。这种基体催化剂方法可以制备出高质量的VGCNF。但是超细催化剂颗粒的制备非常困难，而且纳米碳纤维只在有催化剂的基体上生长，因而产量不高，不可能工业化生产。喷淋法或者流动催化剂法:虽然这种方法提供了大量制备VGCNF的可能，但是由于催化剂与碳氢气体化合物的比例难以优化，喷洒过程中铁颗粒分布不均匀，且喷洒的催化剂颗粒很难以纳米级形式存在，因此在制备纤维的过程中纳米级纤维所占比例少，而总是伴有大量的炭黑生成。改进的气相流动催化剂法：主要特征是，催化剂并不是附着在基体上，也不像喷淋法或者流动催化剂法，将催化剂前驱体溶解在碳源溶液中，而是以气体形式同碳氢气体一起引入反应室，经过不同温区完成催化剂和碳氢气体的分解，分解的催化剂原子逐渐聚集成纳米级颗粒，因此分解的碳原子在催化剂上将会以纳米级形式析出纤维状碳。由于从有机化合物分解出的催化剂颗粒可以分布在三维空间内，因此单位时间内产量可以很大，可连续生产。扰流管的作用：没有扰流管时，气流会快速通过反应区，由于二茂铁热解生成的铁原子和原子簇相互碰撞的几率较少，在反应区形成适宜尺寸的催化剂颗粒(铁离子)的数量也很少，同时一些适宜尺寸的催化剂粒子也快速地离开反应区而未来得及生长碳纤维，结果只有少量纳米碳纤维内核生成，而反应炉内相对过量的碳原子沉积在其上，就会生成直径较粗的纳米碳纤维，产率很低。当在反应炉内放置扰流管时，扰流管会降低气体的流速，并使炉管内的气流产生涡流，从而增加气体停留时间，这将大大提高分散在气流中的铁原子和碳原子簇之间的碰撞几率。如果扰流管放置在适当位置，就会在反应区内形成适宜尺寸的催化剂颗粒数流量大量增加，而且其大小也较为均匀，为纳米碳纤维的多壁碳纳米管内核生长提供了大量的成核点，由于纳米碳纤维的内核在反应区内大量生成，而反应区内的碳原子的数目一定，所以沉积在内核上的热解碳相对较少，因此制备的纳米碳纤维不但产率高而且直径细。如果将扰流管放置在适宜区域之外，反应炉内的气流状态也会使形成的适宜尺寸的催化剂颗粒数量减少，最终导致纳米碳纤维的产率降低，直径变粗。氢气的作用：作为载气；对Fe、Co、Ni等金属化合物进行还原；阻止石墨碳层的凝聚反应；弱化金属与金属间的结合力；使催化剂颗粒重构。少量硫的作用：促进金属表面重构，防止催化剂失活；促进