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碳纤维的技术及应用 碳纤维是由有机母体纤维（例如粘胶丝、PAN聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的。其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。碳纤维是一种含碳量高于99%的无机高分子纤维，其含碳量随种类不同而异，其中含碳量高于99%的称石墨纤维。 碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，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23000~43000MPa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/cm3）以上，而A3钢的比强度仅为59MPa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。 根据原料不同，碳纤维可分为粘胶基碳纤维、PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。其中，粘胶基碳纤维主要用于耐烧蚀材料，PAN基碳纤维主要用于生产高强度纤维，沥青基碳纤维主要用于生产高模量纤维。沥青基碳纤维根据沥青的结晶状态，可分类为等方性和中间相2种，等方性耐热性和耐药品性、滑动性优异，中间相具有高强度、高模量等机械特性。 根据碳纤维的机械强度与模量的高低，可分为5级性能，分类如下表： 表1 碳纤维分类 等级 范围 1 高模量纤维（HM fiber）＞500GPa 2 高强度纤维（HT fiber）＞3GPa 3 中模量纤维（IM Fiber）：强度100-200MPa，模量100-500Gpa 4 低模量纤维（LM Fiber）：模量100-200Gpa 5 一般级GP：模量＜100GPa，强度＜1GPa 根据炭化温度不同，分为三种类型。 （1）普通型（A型）碳纤维：在900～1200℃下炭化得到的碳纤维。强度和弹性模量都较低。一般强度小于107.7cN/tex,模量小于13462cN/tex。 （2）高强度型（Ⅱ型或C型）碳纤维：在1300～1700℃下炭化得到的碳纤维。强度很高，可达138.4～166.1cN/tex，模量约为13842～16610cN/tex。 （3）高模量型（Ⅰ型或B型）碳纤维：又称石墨纤维。在炭化后再经2500℃以上高温石墨化处理得到的碳纤维。强度较高，约为97.8～122.2cN/tex。模量很高，一般可达17107cN/tex以上，有的甚至可达31786cN/tex 碳纤维主要有四种产品形式：纤维、布料、预浸料坯和短切纤维。布料是指由碳纤维制成的织品；预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状；短切纤维指的是短丝。 一 碳纤维发展 美国联合碳化物公司（UCC）于1959年开始最早生产粘胶基碳纤维，五六十年代是粘胶基碳纤维的鼎盛时期，虽然时期已开始衰退，但是它作为耐烧蚀材料至今仍占有一席之地。 1959年，日本研究人员发明了用聚丙烯腈（PAN）原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道。PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流，产量占世界总产量的90%左右。 1974年，美国联合碳化物公司开发了高性能中间相沥青基碳纤维Thornel-35的研制，并取得成功。目前Thornel-P系列高性能沥青碳纤维仍是最好的产品，这样就形成了PAN基、沥青基和粘胶基碳纤维的三大原料体系。 在20世纪90年代中期以前，军事工业、航天与航空工业与体育休闲业一直是CT型碳纤维的主要市场。自1996年美国成功地将LT型碳纤维工业化以后，CT型碳纤维与LT型碳纤维竞争十分激烈。 二 粘胶基碳纤维 生产粘胶基炭纤维的原料主要有木浆和棉浆。美国、俄罗斯和白俄罗斯采用木浆，我国则 以棉浆为主。天然纤维素浆粕配制成纺丝液，用湿法纺制成粘胶连续长丝。粘胶纤维经水洗 和浸渍催化剂后，再经预氧化和炭化工序就可转化为炭纤维。浸渍催化剂和预氧化处理是制造粘胶基炭纤维的重要工序，是由有机纤维粘胶丝转化为无机炭纤维的关键所在。 粘胶基炭纤维在结构和性能上有许多独道之处，其它种类炭纤维无法与其比拟，因而 不 会被彻底淘汰出局。它的独特性能主要表现在：比重小，一般比PAN基、沥青基小15%左右， 所制复合材料的结构轻量化效果更显著；属于难石墨化炭，类似玻璃炭，层间距d002大，石墨微晶不发达，排列紊乱、取向度低、强度低、模量低、伸度大，属于大伸长型炭纤维，韧性好，易深加工；碱、碱土金属含量低，抗氧化和热稳定好，耐烧蚀； 粘胶基炭纤维主要应用于以下几个方面：⑴战略武器方面的应用。美国和俄罗斯把粘胶 炭 纤维增强酚醛树脂复合材料用于战略武器的隔（防）热材料，利用了粘胶基炭纤维耐烧蚀的特性和酚醛树脂残碳量高、焦化强度高和发烟量少的性能，两者的性能叠加，使其复合材料的 综合性能优异无比，成为当今仍是不可取代