材料加工学-碳纤维.pptVIP

3.2碳纤维;碳纤维;碳纤维产品;碳纤维产品;;石墨是层间六角网格碳原子组成。块状石墨密度2.15g/cm3;1.碳纤维的分类

可根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类;原丝类型;碳纤维功能;纤维外观;短纤维;碳纤维的三种编织结构

(a)穿心编织；(b)八锭编织；(c)套层编织;2.碳纤维的制造;将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去局部碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。此法用于制造连续长纤维。;原丝类型;(1)以粘胶纤维为原料制造碳纤维

粘胶纤维属于多糖类有机化合物，分子式(C6H10O5)n，粘胶原丝具有环状分子结构，可以直接进行碳化或石墨化处理，而制成粘胶基碳纤维。;粘胶基碳纤维的原料是含有纤维素结构的各种天然或人造纤维

热处理过程：

1〕25℃～150℃温度下，脱去吸附水

2〕150℃～240℃温度下，纤维素环的脱水

3〕240℃～400℃下，通过自由基反响，C-C，C-O键断裂，生成水、CO和CO2等气体放出；

4〕400℃以上，进行芳香化，放出氢气。

再升高温度时，进行碳化和石墨化过程。

该过程中，纤维的损失在90％以上。

加热速度较慢，并在惰性气体保护下，可得到20％～30％

随着纤维直径变细，碳纤维的强度提高。这可能是由于纤维直径小，挥发物容易逸出，从而保持了结构的完整性;(2)以聚丙烯腈〔PAN〕为原料制造的碳纤维;共聚单体的选择：

与丙稀腈有相似竞聚率，并具有亲核基团的单体，如丙烯酸、MMA、马来酸、衣康酸、丙烯酸酯类等。;预氧化：200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行;PAN的Tg低于100℃，分解前会软化熔融，不能直接在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处理，使PAN的结构转化为稳定的梯形六元环结构，就不易熔融。另外，当加热足够长的时间，将产生纤维吸氧作用，形成PAN纤维分子间的化学键合。;在400℃～1900℃的惰性气氛中进行，碳纤维生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等非碳元素，改变了原PAN纤维的结构，形成了碳纤维。碳化收率40％~45％，含碳量95%左右。;;;PAN纤维热处理温度与强度和弹性模量的关系;在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加压力，保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小以提高碳纤维的弹性模量。;(3)以沥青为原料制造碳纤维;1.碳纤维的结构;理想的石墨点阵结构属六方晶系，真实的碳纤维结构属于乱层石墨结构。;石墨层片的缺陷及边缘碳原子;原纤维;碳纤维的皮层结构：

碳纤维由表皮层和芯子两局部组成，中间是连续的过渡区。皮层的微晶较大，排列较整齐有序，占直径的14％，芯子占39％，由皮层到芯子，微晶减小，排列逐渐紊乱，结构不均匀性愈来愈显著。;沥青基石墨纤维端口，石墨片从芯部向外经向辐射，纤维外表有较浅的沟槽;影响碳纤维强度的重要因素是纤维中的缺陷：原丝带来的缺陷；碳化过程中产生的缺陷。

PAN碳纤维结构是高倍拉伸的、沿轴向择优选向的原纤维和空穴构成的高度有序织态结构。在PAN碳纤维上存在异形、直径大小不均、外表污染、内部杂质、外来杂质、各种裂缝、空穴、气泡等。

原丝带来的缺陷在碳化过程中可能消失小局部，而大局部将变成碳纤维的缺陷。同时在碳化过程中，由于大量的元素以气体形式逸出，使纤维外表及其内部生成空穴和缺陷。绝大多数纤维断裂是发生在有缺陷或裂纹的地方。;聚丙烯腈纤维内部缺陷的种类;;;沥青基石墨纤维切面的投射电镜图。结晶完整的石墨片属平行于纤维轴向排列，内部存在少量微孔相和无定形碳;孔洞为无定型碳和混乱的条带组成;2.碳纤维的性能;碳纤维的应力－应变曲线是一条直线，纤维在断裂前是弹性体，断裂是瞬间开始和完成的。

碳纤维的力学性能除取决于纤维的结构外，与纤维的直径等有关。一般作为结构材料用的碳纤维直径为6μm～11μm。;2.碳纤维的化学性能;表面处理目的：;1.外表清洁法;1.外表清洁法;空气中参加一定量的氧或臭氧进行氧化，一般在管式炉中进行，温度控制在350～600℃之间，时间根据碳纤维种类和所需氧化程度而定。此法设备简单，反响时间短，易和碳纤维生产线衔接进行连续处理，如果反响条件缓和，处理后碳纤维的抗拉强度可根本保持不变或稍有增加。;原因：液相时只氧化纤维外表，而气相氧化剂可能渗透较深，尤其在外表有微裂和缺陷处。

但液相氧化多为间歇操作，处理时间长，操