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碳纤维的性能、应用及相关标准

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聚丙烯腈基 (PAN) 碳纤维的性能、应用及

相关标准

2010 年 6 月 15 日 10:42 中国纤检

摘要 :聚丙烯腈基碳纤维就是一种力学性能优异的新材料 , 在航空、航天、建筑、体育、

汽车、医疗等领域得到广泛的应用。本文简要介绍了国内外 PAN 基碳纤维的发展历程与现

状,PAN基碳纤维的制备、结构及性能及碳纤维的应用领域 ,详细介绍了 PAN 基碳纤维相关

标准及检测 ,并对未来发展进行了展望。

关键词 :碳纤维 ;聚丙烯腈 ;标准

碳纤维就是一种力学性能优异的新材料 , 它不仅具有碳材料的固有特性 , 又兼备纺织纤 维的柔软可加工性 , 就是新一代增强纤维。 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，就是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为 23000Mpa~43000Mpa亦高于 钢。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 , 从这个意义上已预 示了碳纤维在工程的广阔应用前景。

碳纤维就是一种以聚丙烯腈 (PAN) 、沥青、粘胶纤维等为原料 ，经预氧化、 碳化、石墨化 工艺而制得的含碳量大于 90％的特种纤维。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、

耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能 ， 就是航空航天、国防军事工 业不可缺少的工程材料 ， 同时在体育用品、交通运输、医疗器械与土木建筑等民用领域也有 着广泛应用。PAN基碳纤维生产工艺简单、 产品综合性能好,因而发展很快,产量占到90%以

上， 成为最主要的品种。 1 国内外聚丙烯腈基碳纤维的发展现状

1、1国外发展现状

1959年，媒体报道的日本的进藤昭南由聚丙烯腈长丝经预氧化、 碳化而制成性能优良的 碳纤维工艺专利，由于该工艺简单，产品力学性能优良，因此发展较快，开创了碳纤维的新时 代。

世界上聚丙烯腈基碳纤维的生产 ，现在已分化为以美国为代表的大丝束碳纤维与以日本

为代表的小丝束两大类。日本与美国所产的碳纤维约占全球总供应量的 80%[1]。日本三家

以腈纶纤维为主要产品的公司 （东丽Toray、东邦Toho及三菱人造丝公司 Mitsubishi） 依靠

其先进纺丝科学技术，形成高性能原丝生产的优势，大量生产高性能碳纤维，使日本成为碳纤 维大国，无论质量还就是数量上均处于世界前三位 ，占据了世界78%左右的产量。日本 Toray

公司就是世界上最大的 PAN基碳纤维厂商，2003年生产能力为7350t/a,其中在日本国内生产

能力4700t/a,在美国拥有产能 1800t/a,另外在法国与 Atofia 合资的 Soficar 产能为

850t/a。公司以生产小丝束 PAN基碳纤维为主，在日本国内大丝束 PAN基碳纤维的产能仅为

300t/a。东邦人造丝就是第二大碳纤维生产商 ，其碳纤维的生产能力为 5800t/a,全就是小丝

束品种。三菱人造丝在日本国内产能为 2700t/a,在海外美国Grafil的产能为700t/a,2001

年三菱人造丝率先将设备投资增加 27、5%达到190亿元，将本国的产能提高 500t/a,再将美

国子公司Grafil的产能增加800t/a,这样两地的总产能达到 4700t/a。世界主要PAN基碳纤

维生产企业的产能见表 1[2]。

表1 世界主要PAN基碳纤维生产企业的产能

产地 类型 2004 2005 2006 2007 2008

Toray 小丝束 9100 9100 10900 13900 17500

大丝束 300 300 300 300 300

Toho Tenax 小丝束 5600 6300 7800 7800 10500

大丝束 3500 1300 1300 1300 1300

MRC 小丝束 4700 5200 5700 7800〜8100 7900〜8100

Hexcel 小丝束 2000 2000 2300 2800 3300

Cytee 小丝束 1800 1800 1800 1800 3800

中国台湾台塑 小丝束 1850 1850 1850 2950 29500

Zoltek 大丝束 2300 3300 6500 11100 11100

SGL 大丝束 1900 1900 1900 1900 1900

Technology 大丝束 1000 1000 1000 1000 1000

小计 小丝束 25050

26250 30350 37150 45900

大丝束 9000 7800 11000 15600 15600

总计

34050 34050 41350 52570 61500

增长百分数

0 21、40% 27% 16、60%

国外PAN基碳纤维的主要消费地就是美国、西欧地区与日本。 2002年上述国家与地区共消

费PAN基碳纤维约12000t,其中美国消费量 4600t,西欧地区消费量为 5200t（ —般工业应用 2800t,航空航天1710t,体育器材690t）日本消费量约 2200t。在2006〜2011年，世界的碳纤 维平均年需求增长率约为 11、7% ,高于平均年增长率的就是西欧及亚洲的一些国家 ，世界碳

纤维消费量见表2[3]。

表2世界碳纤维消费量 kt

国家及地区 2002 年 2006 年 2011 年 2006-2011 年

平均增长率/%

美国 5、670 10、939 18、 270 10、8

西欧 5、200 7、800 15、 340 > 14

日本 2、862 3、200 4、527 7、2

亚洲* 2、850 5、900 10、 200 11、6

总计 16、 582 27、839 48、 337 11、7

注：引用CEH资料数据，“亚洲*”指除日本外。

1、2国内发展现状

我国对碳纤维的研究开始于 20世纪 60年代, 几乎与世界同步开始碳纤维研究工作。 80 年代开始研究高强型碳纤维 , 多年来进展缓慢 , 但也取得了一定成绩。 已经研制出接近日本东 丽公司 T-300 水平的碳纤维产品 , 但产量与品质都远不能满足国内需要 , 与国外相比差距甚 大，国内PAN基碳纤维总生产能力仅 600吨/年左右。（包括正在筹建厂）,实际生产量约仅为 30~40吨／年。进入 21世纪以来发展较快 , 安徽华皖碳纤维公司率先引进了 500 吨／年原丝、 200吨/年PAN基碳纤维（只有东丽碳纤维 T300水平）,使我国碳纤维工业进入了产业化。 随

后， 一些厂家相继加入碳纤维生产行列。 据不完全统计 ， 目前 ， 我国已有 12 家生产规模大小不

一（5〜800吨/年）的PAN基碳纤维生产厂家,合计生产能力为1310吨/年。值得一提的就是 我国台湾省的台塑集团 , 在 8 0代年中期从美国 Hitco 公司引进百吨级碳纤维生产线 , 经消化、 吸收与配套后得到迅速发展 , 台塑产量增加很快 , 但碳纤维质量的提高幅度并不大。

我国一些研究单位与高校都投入相当力量进行研究 , 并根据实验室研究成果建立一些中

试装置 ;也尝试从国外引进专利技术与小规模生产设备 , 我国碳纤维现在仍处于艰难起步阶

段, 碳纤维的研制生产发展较慢 , 与国际先进水平相比 , 国产碳纤维突出问题就是强度低、均 匀性差、稳定性差、毛丝多、实际生产量低 , 其根本的原因就是我国的原丝质量不过关 [4-5], 影响了我国碳纤维的发展。解决碳纤维用聚丙烯腈原丝生产这一技术关键 , 不能依赖技术引

进, 而应集中力量 , 汇集国内从事与此领域有关各方人力 , 选择国内经济实力与客观条件较好 企业作为实施基地 , 进行高起点技术攻关。目前我国碳纤维 90％以上依赖进口 , 极大的制约

了我国相关产业的发展。

2 PAN 基碳纤维的制备、结构、性能

2、1PAN基碳纤维的制备 聚丙烯腈碳纤维就是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维 , 主要作复合材料用增强体。 无论均聚或共聚的聚丙烯腈纤维都能制备出碳纤维。 为了制造出高性能碳纤维并提高生产率 工业上常采用共聚聚丙烯腈纤维为原料。对原料的要求就是 : 杂质、缺陷少 ; 细度均匀 , 并越 细越好 ; 强度高 ,

毛丝少 ; 纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好 , 通常大于 80%;热转化性

能好。

生产中制取聚丙烯腈纤维的过程就是 : 先由丙烯腈与其她少量第二、 第三单体 （丙烯酸甲

醋、甲叉丁二脂等）共聚生成共聚聚丙烯腈树脂 （分子量高于6〜8万）,然后树脂经溶剂（硫 氰酸钠、二甲基亚矾、硝酸与氯化锌等 ） 溶解 , 形成粘度适宜的纺丝液 , 经湿法、干法或干 - 湿法进行纺丝 , 再经水洗、牵伸、干燥与热定型即制成聚丙烯腈纤维。若将聚丙烯腈纤维直 接加热易熔化 ,

不能保持其原来的纤维状态。因此 , 制备碳纤维时 , 首先要将聚丙烯腈纤维放 在空气中或其她氧化性气氛中进行低温热处理 , 即预氧化处理 [6] 。预氧化处理就是纤维碳化 的预备阶段。一般将纤维在空气下加热至约 270C,保温0、5h〜3h,聚丙烯腈纤维的颜色由

白色逐渐变成黄色、棕色 , 最后形成黑色的预氧化纤维。这就是聚丙烯腈线性高分子受热氧 化后 ,

发生氧化、热解、交联、环化等一系列化学反应形成耐热梯型高分子的结果。再将预 氧化纤维在氮气中进行高温处理（I 600 C）,即碳化处理 ,则纤维进一步产生交联环化、芳构

化及缩聚等反应 , 并脱除氢、 氮、氧原子 , 最后形成二维碳环平面网状结构与层片粗糙平行的 乱层石墨结构的碳纤维。

由PAN原丝制备碳纤维的工艺流程如下 ：PAN原丝T预氧化T碳化T石墨化T表面处理

T卷取T碳纤维。

2、 2 结构 碳纤维就是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成的所谓“乱层”结构 ，通常也把碳

纤维的结构瞧成由两维有序的结晶与孔洞组成 ，其中孔洞的含量、大小与分布对碳纤维的性

能影响较大［7］。碳纤维各层面间的间距约为 3、39〜3、42?,各平行层面间的各个碳原子

排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一起。

2、3性能特征

碳纤维的化学性能与碳十分相似 ，在空气中当温度高于 400C时即发生明显的氧化 ，氧

化产物CO2 CO在纤维表面散失，所以其在空气中的使用温度不能太高 ，一般在360C以下。

但在隔绝氧的情况下，使用温度可大大提高到 1500〜2000C ,而且温度越高，纤维强度越大。

碳纤维的径向强度不如轴向强度，因而碳纤维忌径向强力（即不能打结）［8］。

碳纤维有通用型（GP）、高强型（HT）、高模型（HM）、高强高模（HP）等多种规格，其性能指标见

表3。

表3碳纤维的规格与性能

规格 高强型HT 高模型HM 通用型GP 高强高模型HP

直径/um 7 5~8

9~18

强度/(X103Mps) 2、5〜4、5 2、0〜2、8 0、 78〜1、 0 3、0〜3、5

模量/(X103Gpa) 2、0〜2、4 3、5〜7、0 3、8〜4、0 4、0〜8、0

伸长/% 1、3〜1、8 0、4〜0、8 2、1〜2、5 0、4〜0、5

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碳纤维复合材料在船舶上的应用

碳纤维复合材料在船舶上的应用

碳纤维复合材料是一种由碳纤维与树脂等材料混合制成的轻型、高强度的复合材料。它具有重量轻、耐腐蚀、耐疲劳、抗拉伸等一系列优点，因而在船舶制造领域得到了广泛应用。本文将从碳纤维复合材料在船舶上的应用领域、优势和挑战等方面展开论述。

一、碳纤维复合材料在船舶制造中的应用领域

1. 船体结构：碳纤维复合材料具有优异的强度和刚性，可以用于船体的结构件制造，如船体外壳、船体内部隔板等。

2. 船舶附件：碳纤维复合材料还可以用于船舶的附件制造，如船舶的桅杆、舷梯、天线支架等。

3. 船用设备：在船用设备方面，碳纤维复合材料也有广泛的应用，如船用通风系统、船用管道等。

二、碳纤维复合材料在船舶制造中的优势

1. 重量轻：相比传统的金属材料，碳纤维复合材料具有更轻的重量，可以减轻船舶的自重，提高船舶的载货能力。

2. 耐腐蚀：碳纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性能，可以有效防止船舶受海水等腐蚀介质的侵蚀，延长船舶运用寿命。

3. 高强度：碳纤维复合材料具有优异的强度和刚性，可以有效提高船体的整体强度，增加船舶的安全性。

4. 易塑性：碳纤维复合材料可以根据需要进行模具成型，制造出复杂的船舶结构件，提高船舶的整体设计灵活性。

5. 良好的阻燃性能：碳纤维复合材料能够满足船舶在火灾条件下的阻燃要求，提高船舶的安全性。

三、碳纤维复合材料在船舶制造中的挑战

1. 成本高: 相比传统的金属材料，碳纤维复合材料的制造成本较高，导致船舶的造价增加。

2. 技术要求高: 碳纤维复合材料的制造和加工需要高精度的技术和设备支持，对船舶制造厂商的技术水平有较高要求。

3. 维修难度大: 碳纤维复合材料一旦受到损坏，修复和维护的难度较大，需要专业技术和设备支持。

四、总结

碳纤维复合材料作为一种新型的船舶结构材料，具有重量轻、耐腐蚀、高强度等优点，可以在船舶制造领域发挥重要作用。然而，它也面临着成本高、技术要求高、维修难度大等挑战，需要船舶制造领域的相关企业和科研机构共同努力，克服这些困难，推动碳纤维复合材料在船舶制造中的广泛应用。（字数：358）

碳纤维材料性能及应用

碳纤维材料性能及应用

碳纤维材料的性能及应用

碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。

碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。另外，碳纤维是指含碳量高于90％的无机高分子纤维 。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。

性能特点：

碳纤维的比重小，抗拉强度高，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。总之，碳纤维是一种力学性能优异的新材料。

应用领域：

用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。1999年发生在南联盟科索沃的战争中，北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应，其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维使供电系统短路。

目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成 碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化（在3800K以上升华），而在各种溶剂中都不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化：在空气中加热，维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构，以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化：在惰性气氛中加热至1200-1600度，维持数分至数十分钟，就可生成产品碳纤维；所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气，但一般多用高纯氮气。C石墨化：再在惰性气氛（一般为高纯氩气）加热至2000-3000度，维持数秒至数十秒钟；这样生成的碳纤维也称石墨纤维。 碳纤维有极好的纤度（纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数），一般仅约为19克；拉力高达300KG/MM2；还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。 目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越，用途非常广泛，如制造火箭、宇宙飞船等重要材料；制造喷气式发动机；制造耐腐蚀化工设备等。 羽毛球：现在大部分羽毛球拍杆由碳纤维制成。【碳纤维 】carbon fibre 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 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；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型 。通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2％。用量最大的是聚丙烯腈基碳纤维。

混凝土中碳纤维掺量的标准

混凝土中碳纤维掺量的标准

混凝土中碳纤维掺量的标准

混凝土中碳纤维掺量的标准

一、前言

碳纤维是一种重要的纤维增强材料，具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀、耐磨损等优异性能，被广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、建筑等领域。在混凝土中添加适量的碳纤维，可以显著提高混凝土的抗裂、抗弯、抗冲击、抗疲劳等性能，改善混凝土的力学性能和耐久性，提高混凝土结构的安全性和可靠性。因此，制定混凝土中碳纤维掺量的标准，对于推广碳纤维在混凝土中的应用具有重要的意义。

二、混凝土中碳纤维掺量的标准

1. 碳纤维的类型和性能

混凝土中添加的碳纤维应为高强度、高模量、低膨胀、耐碱性、耐热性、耐腐蚀性好的短切碳纤维。碳纤维的直径一般为7-10μm，长度为6-25mm，拉伸强度为3000-7000MPa，弹性模量为200-400GPa，线膨胀系数为0.2×10-6/℃，碳纤维应符合GB/T 3003-2013《炭纤维》标准。

2. 混凝土的强度等级和掺量

混凝土的强度等级应不低于C30，掺量一般为混凝土体积的0.1%-0.5%，具体掺量应根据混凝土的强度等级、设计要求、施工条件等因素综合考虑确定。

3. 混凝土的配合比和施工工艺

混凝土的配合比应根据混凝土的强度等级和掺量确定，应保证碳纤维的分散均匀和混凝土的均质性。施工应注意掺量的准确性和碳纤维与水泥、砂、骨料的充分混合。

4. 混凝土的性能要求

混凝土中添加碳纤维后，应满足以下性能要求：

(1) 抗拉强度：混凝土的抗拉强度应不低于掺碳纤维前的60%。

(2) 抗裂性能：混凝土的抗裂性能应明显提高，裂缝宽度应小于掺碳纤维前的一半。

(3) 抗弯强度：混凝土的抗弯强度应明显提高，抗弯断裂韧性应大于掺碳纤维前的50%。

(4) 抗冲击性：混凝土的抗冲击性应明显提高，抗冲击能力应大于掺碳纤维前的50%。

(5) 耐久性：混凝土的耐久性应满足设计要求，碳纤维不应影响混凝土的耐久性。

5. 混凝土中碳纤维的质量检验

碳纤维t的分级

碳纤维t的分级

碳纤维t的分级

全文共四篇示例，供读者参考

第一篇示例：

碳纤维是一种高性能的材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀和耐疲劳等优点，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。碳纤维的分级是根据其纤维直径、纤维成分和结构等因素来划分的，不同的级别有着不同的性能和应用领域。下面来详细介绍碳纤维的分级：

一、根据纤维直径分级

根据碳纤维的纤维直径的不同，可以将碳纤维分为微细纤维、中等纤维和粗大纤维三个级别。

1. 微细纤维

微细纤维是指直径小于5微米的碳纤维，通常由原始纤维经过微型化处理得到。微细纤维具有很高的比表面积和拉伸强度，适用于制作高性能的复合材料和纤维增强材料，也可以用于生物医学领域的应用。

2. 中等纤维

中等纤维是指直径在5-10微米之间的碳纤维，具有较高的强度和刚度，适用于航空航天、汽车和船舶等领域的结构材料，也可以用于体育器材和工业设备的制造。 3. 粗大纤维

粗大纤维是指直径大于10微米的碳纤维，主要用于制作耐磨、耐高温和耐化学腐蚀的材料，如制动片、耐火材料和化工设备等。

1. 聚丙烯腈基碳纤维

聚丙烯腈基碳纤维是最常见的碳纤维材料，通常由聚丙烯腈纤维经氧化、碳化等工艺处理得到。聚丙烯腈基碳纤维具有优异的机械性能和化学稳定性，广泛应用于航空航天、汽车和体育器材等领域。

芳纶基碳纤维是一种高强度、高模量的碳纤维材料，具有良好的耐热性和耐磨性，适用于高温、高速和高强度要求的领域，如航空发动机、高速列车和船舶等。

3. 其它特种碳纤维

除了上述两种常见的碳纤维材料外，还有一些特种碳纤维，如含硼、含硅和含氧碳纤维等，具有特殊的性能和应用特点，适用于特定的高端领域。

三、根据结构特点分级

纤维束是将多根碳纤维捆绑在一起形成的束状材料，有着较高的拉伸强度和弯曲性能，适用于各种复合材料的增强。