聚丙烯腈碳纤维性能表征规范
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聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
聚丙烯腈基（PAN）碳纤维复合材料
班级：1013241 姓名：董鸿文
学号：101324108
材料化学课程论文
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维等 人造纤维戒合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等过 程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
1 2
3
沥青基
粘胶基
聚丙烯腈基（PAN）
PAN链的无规则螺旋结构
PAN纤维→预氧化→碳化→石墨化→PAN基碳纤维
PAN碳纤维原丝微观图
【1】PAN碳纤维原丝截面图
【2】PAN纤维截面SEM照
【3】PAN碳纤维表面结构
PAN碳纤维复合材料的应用
1.航空航天：航天飞机、运载 火箭、导弹卫星、民用商业飞 机
2.体育休闲：球杆球拍、箭弓、 鱼竿、自行车
参考文献
[1]徐樑华：高性能PNA基碳纤维国产化进展及发展趋势[J].中国材料进展， 2012，31（10）：7-13 [2]陈利，孙颖，马明：高性能纤维域成形体的研究[J].中国材料进展，2012， 31（10）:21-29 [3]韩克清，严斌，余木火：碳纤维及其复合材料高效低成本制备技术进展[J].中 国材料进展，2012，31（10）:30-35 [4]郭敏怡:我国高性能碳纤维产业发展现状不展望[M].军民两用技术不产品， 2012,2:53-58 [5]郑宁来:中国航天公司研制成功碳纤维新产品[J].合成纤维，2011,40 （7）:14-15 [6]贺福:研制高性能碳纤维已是当务之急[J].高科技纤维不应用，2010,35（1）： 14-18 [7]钱伯章:国内外碳纤维应用领域、市场需求以及碳纤维产能的进展[J].高科技 纤维不应用，2010,35（2）:29-33 [8]赵稼祥:世界PAN基碳纤维的生产不需求以及对发展我国碳纤维的启示[J].新 材料产业，2010,9:25-31
班级：1013241 姓名：董鸿文
学号：101324108
材料化学课程论文
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维等 人造纤维戒合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等过 程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
1 2
3
沥青基
粘胶基
聚丙烯腈基（PAN）
PAN链的无规则螺旋结构
PAN纤维→预氧化→碳化→石墨化→PAN基碳纤维
PAN碳纤维原丝微观图
【1】PAN碳纤维原丝截面图
【2】PAN纤维截面SEM照
【3】PAN碳纤维表面结构
PAN碳纤维复合材料的应用
1.航空航天：航天飞机、运载 火箭、导弹卫星、民用商业飞 机
2.体育休闲：球杆球拍、箭弓、 鱼竿、自行车
参考文献
[1]徐樑华：高性能PNA基碳纤维国产化进展及发展趋势[J].中国材料进展， 2012，31（10）：7-13 [2]陈利，孙颖，马明：高性能纤维域成形体的研究[J].中国材料进展，2012， 31（10）:21-29 [3]韩克清，严斌，余木火：碳纤维及其复合材料高效低成本制备技术进展[J].中 国材料进展，2012，31（10）:30-35 [4]郭敏怡:我国高性能碳纤维产业发展现状不展望[M].军民两用技术不产品， 2012,2:53-58 [5]郑宁来:中国航天公司研制成功碳纤维新产品[J].合成纤维，2011,40 （7）:14-15 [6]贺福:研制高性能碳纤维已是当务之急[J].高科技纤维不应用，2010,35（1）： 14-18 [7]钱伯章:国内外碳纤维应用领域、市场需求以及碳纤维产能的进展[J].高科技 纤维不应用，2010,35（2）:29-33 [8]赵稼祥:世界PAN基碳纤维的生产不需求以及对发展我国碳纤维的启示[J].新 材料产业，2010,9:25-31
聚丙烯腈基碳纤维布相关标准
聚丙烯腈基碳纤维布相关标准聚丙烯腈基碳纤维布是一种重要的新型纤维材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、船舶、汽车、建筑、电力等领域。
为了确保聚丙烯腈基碳纤维布的质量，相关标准起到了重要的作用。
本文将介绍聚丙烯腈基碳纤维布相关的国际、国家标准。
首先，国际上最常用的聚丙烯腈基碳纤维布标准是ISO 18333-1：2016。
该标准规定了聚丙烯腈基碳纤维布的分类、术语和定义、试验方法等内容。
例如，该标准要求对聚丙烯腈基碳纤维布的线密度、纤维直径、机械性能进行测试和评估。
此外，ISO 18333-1：2016还对产品的标识、包装、运输等方面进行了要求，以确保各个环节的质量控制和产品的可追溯性。
在国内，对聚丙烯腈基碳纤维布的标准主要有两个，分别是GB/T 30581-2014和HG/T 3197-2010。
其中，GB/T 30581-2014是国家标准，规定了聚丙烯腈基碳纤维布的技术要求、试验方法、标志、包装和质量证明等方面。
该标准要求对聚丙烯腈基碳纤维布的化学成分、线密度、纤维直径、机械性能、热稳定性、耐腐蚀性等进行测试和评估，以确保产品的可靠性和稳定性。
另外，HG/T 3197-2010是化工行业标准，适用于聚丙烯腈基碳纤维布的设计、制造、验收等方面。
该标准要求对聚丙烯腈基碳纤维布的纤维密度、线密度、纤维直径、机械性能、热稳定性、耐腐蚀性等进行测试和评估，同时还对质量控制的原则、方法进行了规定，以确保产品的一致性和质量稳定。
除了上述国际标准和国家标准，还有一些行业标准也涉及到了聚丙烯腈基碳纤维布。
例如，航空航天领域常用的军用标准GJB 2868-2012，该标准规定了航空航天用聚丙烯腈基碳纤维布的技术要求、试验方法和使用环境等方面。
该标准要求对聚丙烯腈基碳纤维布的纤维直径、线密度、表面密度、拉伸强度等进行测试和评估，以确保产品在特定环境下的可靠性和性能。
综上所述，聚丙烯腈基碳纤维布相关的标准既包括国际标准，也包括国家标准和行业标准。
聚丙烯腈碳纤维
CN CN CN X CN X CN CN CN X CN CN CN CN CN CN CN CN CN CN X CN CN CN X CN CN X CN CN
A, 链段内分布均匀 链段间分布也均匀
CN CN CN CN CN CN X CN CN CN CN CN X CN CN CN CN X CN CN X CN CN CN X CN CN CN X CN
➢ 在1000℃及以上温度的热分解中碳得率较高5055％。
PANCF的制备方 法及结构演变
聚合反应
聚合反应历程
聚合反应
起始反应
增长反应
结合反应
终止反应
歧化反应
链转移反应 单体转移
溶剂转移
聚 合 反 应 及 聚 合 体 特点
终止速率常数（Kt）随着温度变化最敏感，每提高1 ℃,Kt值增加2-3倍，在n=2000左右时，PAN Mw/Mn﹥2的 倾向性特别大。
PAN存在高度有序的区域侧序分布。（被称为准晶高 序区）
可将PAN看成是由单相组成、不存在晶相 和非晶相之间的界面的 “准晶态”或“蕴晶 态”。
通俗地说，PAN单链形成直径为0.6nm的圆 筒形，圆筒形的单链堆积在一起，赤道反射就 是由这些规则堆积造成的。圆筒内的链构象以 非常不规则的方式伸展，所以PAN纤维不是轴 向上的真正结晶有序。
由于－CN基团的高度极性，-CN与各种Me+络合能力很大 ，高纯化难度大，容易形成间规结构，给下一步预氧化 和碳化带来一系列困难。
-CN为有机基团中极性最大的基团， PAN的分子间作用 力非常大，其内聚能密度（620-900J/cm3.mol）几乎在 所有合成高分子中最高,PAN分子链非常不容易内旋转， 甚至高温加热也不容易使PAN的链段运动, 这种牢固的 极性结构一旦形成某种构象及凝聚态结构就难以改变, 微孔不易消除。
A, 链段内分布均匀 链段间分布也均匀
CN CN CN CN CN CN X CN CN CN CN CN X CN CN CN CN X CN CN X CN CN CN X CN CN CN X CN
➢ 在1000℃及以上温度的热分解中碳得率较高5055％。
PANCF的制备方 法及结构演变
聚合反应
聚合反应历程
聚合反应
起始反应
增长反应
结合反应
终止反应
歧化反应
链转移反应 单体转移
溶剂转移
聚 合 反 应 及 聚 合 体 特点
终止速率常数（Kt）随着温度变化最敏感，每提高1 ℃,Kt值增加2-3倍，在n=2000左右时，PAN Mw/Mn﹥2的 倾向性特别大。
PAN存在高度有序的区域侧序分布。（被称为准晶高 序区）
可将PAN看成是由单相组成、不存在晶相 和非晶相之间的界面的 “准晶态”或“蕴晶 态”。
通俗地说，PAN单链形成直径为0.6nm的圆 筒形，圆筒形的单链堆积在一起，赤道反射就 是由这些规则堆积造成的。圆筒内的链构象以 非常不规则的方式伸展，所以PAN纤维不是轴 向上的真正结晶有序。
由于－CN基团的高度极性，-CN与各种Me+络合能力很大 ，高纯化难度大，容易形成间规结构，给下一步预氧化 和碳化带来一系列困难。
-CN为有机基团中极性最大的基团， PAN的分子间作用 力非常大，其内聚能密度（620-900J/cm3.mol）几乎在 所有合成高分子中最高,PAN分子链非常不容易内旋转， 甚至高温加热也不容易使PAN的链段运动, 这种牢固的 极性结构一旦形成某种构象及凝聚态结构就难以改变, 微孔不易消除。
碳纤维用聚丙烯腈制备及其结构、性能
65.9
5. 引发剂种类对聚合影响
样品 引发剂 1 引发剂 2 引发剂 2
转化率 (%) 12 h 76.9 84.8 89.6
粘均分子量 (× 104) / 19.8 22.0
旋转粘度 （Pa.S） / 49 145
GPC Mn 32578 29201 33674 Mw 64723 55412 57118 Mw/Mn 1.99 1.90 1.70
PAN-NVP
50
100
150
200
o
250
300
350
Temperature C
不同聚丙烯腈共聚物的放热峰
8.TGA分析
不同共聚单体总含量的聚丙烯腈在N2中的TGA曲线及其微分曲线
不同共聚单体总含量的聚丙烯腈在空气中的TGA曲线及其微分曲线
9.聚丙烯腈在管式反应器共聚的研究
聚丙烯腈在6米管式反应器共聚的原液性能
Mw/ Mn ≤ 2.8
1. 共聚单体种类对聚合速率的影响
PAN共聚物 PAN-DMI PAN-MBI 聚合时间 （小时） 24 48 转化率 (%) 55.0 81.1 粘均分子量 (×104) 21.4 Mn (×104) 3.3 2.4 Mw (×104) 7.3 6.5 Mw/Mn 2.2 2.7
6.共聚单体含量对等规度的影响
等规度 ≥ 26％
聚丙烯腈的13C－NMR谱图
共聚单体总含量对聚丙烯腈等规度的影响 共聚单体 含量(wt%) 2.5 4.3 5.9
13C-NMR谱
图
等规度(%)
26.0
26.1
29.8
7.共聚单体种类对DSC放热峰的影响
PAN-AM PAN-DMI-IA PAN-DMI
聚丙烯腈碳纤维热导率
聚丙烯腈碳纤维热导率
聚丙烯腈碳纤维是一种具有优异热导性能的材料。
它的热导率
通常在10-100 W/(m·K)的范围内，具体数值取决于碳纤维的结构、纤维直径、晶体结构以及制备工艺等因素。
从结构角度来看，碳纤维的热导率受到其晶格结构的影响。
碳
纤维的热导率通常随着纤维结晶度的提高而增加，因为结晶度高的
纤维具有更好的热导性能。
此外，碳纤维的热导率还受到纤维的取
向和排列方式的影响。
在纤维取向较好的情况下，热导率通常会更高。
另外，碳纤维的直径也会对其热导率产生影响。
一般来说，直
径较小的碳纤维具有更高的热导率，这是因为较小直径的纤维在热
传导过程中存在更少的界面热阻，从而提高了整体的热导率。
除了上述结构因素外，碳纤维的制备工艺也会对其热导率产生
影响。
不同的制备工艺可能会导致纤维内部结构的差异，进而影响
热导率的表现。
总的来说，聚丙烯腈碳纤维具有较高的热导率，这使得它在一
些需要高热传导性能的领域得到广泛应用，比如航空航天、汽车制造和电子设备等领域。
希望这些信息能够对你有所帮助。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
生产工艺改进
针对PAN基碳纤维复合材料生产过程中存在的能耗高、污染重等问题 ，研究者们不断改进生产工艺，提高生产效率和环保性。
未来发展趋势预测与挑战分析
高性能化
未来PAN基碳纤维复合材料将继续向高性能化方向发展， 以满足高端应用领域对材料性能的更高要求。
绿色环保
随着环保意识的提高，PAN基碳纤维复合材料的绿色生产 将成为未来发展的重要趋势，包括采用环保原料、优化生 产工艺等。
耐疲劳性
碳纤维复合材料具有良好 的耐疲劳性能，能够承受 长期的交变载荷作用。
热稳定性及耐候性评估
热稳定性
PAN基碳纤维在高温下能 够保持较好的稳定性，不 易发生热分解或氧化反应 。
耐候性
碳纤维复合材料具有良好 的耐候性能，能够抵抗紫 外线、酸雨等自然环境的 侵蚀。
耐腐蚀性
由于碳纤维的化学稳定性 较高，因此它对于多种化 学物质都具有良好的耐腐 蚀性。
汽车工业领域应用
轻量化
碳纤维复合材料具有密度小、比 强度高、比模量高等优点，是实 现汽车轻量化的理想材料，可用
于车身、底盘等结构件。
安全性
碳纤维复合材料在碰撞时能够吸收 大量能量，提高汽车的安全性。
舒适性
碳纤维复合材料具有良好的阻尼性 能，能够降低汽车行驶过程中的振 动和噪音，提高乘坐舒适性。
体育器材领域应用
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料的制备工艺主要包括原丝 制备、预氧化、碳化、石墨化 等步骤，通过控制工艺参数可 以得到不同性能的复合材料。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料在航空航天、汽车、体育 器材、建筑等领域具有广泛的 应用前景，如飞机结构件、汽 车轻量化部件、高性能运动器 材等。
02
CATALOGUE
针对PAN基碳纤维复合材料生产过程中存在的能耗高、污染重等问题 ，研究者们不断改进生产工艺，提高生产效率和环保性。
未来发展趋势预测与挑战分析
高性能化
未来PAN基碳纤维复合材料将继续向高性能化方向发展， 以满足高端应用领域对材料性能的更高要求。
绿色环保
随着环保意识的提高，PAN基碳纤维复合材料的绿色生产 将成为未来发展的重要趋势，包括采用环保原料、优化生 产工艺等。
耐疲劳性
碳纤维复合材料具有良好 的耐疲劳性能，能够承受 长期的交变载荷作用。
热稳定性及耐候性评估
热稳定性
PAN基碳纤维在高温下能 够保持较好的稳定性，不 易发生热分解或氧化反应 。
耐候性
碳纤维复合材料具有良好 的耐候性能，能够抵抗紫 外线、酸雨等自然环境的 侵蚀。
耐腐蚀性
由于碳纤维的化学稳定性 较高，因此它对于多种化 学物质都具有良好的耐腐 蚀性。
汽车工业领域应用
轻量化
碳纤维复合材料具有密度小、比 强度高、比模量高等优点，是实 现汽车轻量化的理想材料，可用
于车身、底盘等结构件。
安全性
碳纤维复合材料在碰撞时能够吸收 大量能量，提高汽车的安全性。
舒适性
碳纤维复合材料具有良好的阻尼性 能，能够降低汽车行驶过程中的振 动和噪音，提高乘坐舒适性。
体育器材领域应用
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料的制备工艺主要包括原丝 制备、预氧化、碳化、石墨化 等步骤，通过控制工艺参数可 以得到不同性能的复合材料。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料在航空航天、汽车、体育 器材、建筑等领域具有广泛的 应用前景，如飞机结构件、汽 车轻量化部件、高性能运动器 材等。
02
CATALOGUE
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料-作业
b、碳化收率为50%-55%;
c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;
PAN链的无规则螺旋结构
PAN纤维→预氧化→碳化→石墨化→PAN基碳纤维
PAN纤维截面SEM照
PAN碳纤维表面结构
PAN碳纤维复合材料的应用
全球PAN碳纤维产业发展情况
全球PAN碳纤维产业发展情况
比重不到钢的1/4 ，市面上出售的 PAN基碳纤维密度 在1.75-1.93g/cm3 之间。
耐高温（惰性气 氛下可耐2000℃ 以上），低热膨 胀系数，比热容 小，出色的抗热 冲击性，优秀的 抗腐蚀和抗辐射 性能。
聚丙烯腈基碳纤维的制造
PAN结构式
I→600pm←I
a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料-作业
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维 等人造纤维或合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等 过程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
粘胶基
沥青基
聚丙烯腈基
碳纤维的性能（PAN）
Байду номын сангаас
强度高
密度低
其他性能
理论强度可达到 180GPa。目前东 丽T1000的强度达 到7.02GPa，虽然 远低于理论值但 比钢的强度要高 出很多
精编JTT 525-《公路水泥溷凝土纤维材料 聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》资料
5．海川工程科技的聚丙烯腈纤维指标
表12
聚丙烯腈纤维指标
纤维牌号 纤度(dtex) 标称直径(μ m) 长度(mm) 纤维材料 比重(103Kg/m3) 抗拉强度(Mpa) 弹性模量(GPa) 断裂伸长率（%） 纤维数量(根/Kg) 推荐掺量(Kg/m3)
路威 2002-I 1.9 13 6
聚丙烯腈 1.18
试件编号
1
2
3 平均 值
不加纤维 骨料粒径 0～20mm
加纤维
7.018 5.781 6.867 6.555 7.222 7.523 7.558 7.434
不加纤维 骨料粒径 0～16mm
加纤维
7.489 6.574 6.219 6.761 7.584 7.127 7.372 7.361
《公路水泥混凝土纤维材料 聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》JT/T 525-2004 宣贯
表2
试件编号
水泥混凝土冲击试验结果
1
2
3
平均 值
骨料粒径0-20mm
不加纤维 加纤维
827 1465 1619 1740 1867 1780
1303 1795
骨料粒径0-16mm
不加纤维 加纤维
1290 2454 3270 1000 3250 4400
2338 2883
《公路水泥混凝土纤维材料 聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》JT/T 525-2004 宣贯
项目
表7 外观质量
指
标
聚丙烯网状纤维
色泽 色差
原白色 基本一致
手感 未牵引丝
柔软 不允许有
洁净度
无污染
形状
开网均匀规则，每 10mm 长度至少一个连接点，且为网 状结构
聚丙烯腈基超细碳纤维毡的制备及其表征
用 ；ＮＮ 二 甲基 甲酰 胺 （ Ｍ ） （ Ｒ，上 海博尔 ，一 Ｄ Ｆ Ａ
化学试剂有限公司） ；高纯氮气 （ ． ９９ ９ ９％，上海 申
中工业气体有限公司） 。 ｘ一 线 衍 射 仪 （ ／ ｘ ２５ Ｃ， １ 射 ＤＭａ 一 ５ ０ Ｐ ３本
Ｒ Ｇ Ｋ ）， 微 量 注 射 泵 （４ ０ ０ ， ， Ｃ ｌ — ＩＡ Ｕ ７９ ０—００ ５ ｏ ｅ
美 国 Ｎｃｌ ） ｉ ｅ ，流 变 仪 ｏｔ （ Ｖ—ｍ ， Ｂｏ ｋ ｅ ，美 Ｄ ｒ ｆｌ ｏｉ ｄ
高压 嘉流 静 电发生器
维具有连续 、密实 、直径 分布均 匀等特 点 。近年 ， Ｙ ｕ ｇ［ 等用静 电纺丝制得 具有较好 电化学特性的 ｏｎ ７ １
收稿 日期 ：２０ －９ ０ 修 回 日期 ：２０ —０ １ ０９ ０— ４ ０９ １— ２
１ Ｐ Ａ ） Ｃ ，上海华东 试剂工 业供 销
织造布织物的专利 。
远远高于工业 上现 已商业化 的碳纤 维 ，但 它的实 际
强度很 低 ｉ ，不 利于 后续 的应用 。作为 高效 吸附 ａ ｒ ］ 材料活性碳纤维 的前躯体 ，超细碳 纤维 的强度对后
续的活化以及应用影 响很大 。 本论文 通过 静电纺 丝 、预 氧化 、碳化制备了不
研 究 论 文
聚丙烯腈基超 细碳纤维毡 的制备及其 表征
姜 正雄 ，余 阳 ，周 美 华 术 （ 华 大 学 环 境 科 学 与 工程 学 院 ，上 海 ２ １２ ） 东 ０ ６０
摘 要 ：采用静 电纺丝 法制备 了不 同黏 均 分子质量 （ １ 聚 丙烯腈 （Ａ ）超 细纤 维毡 ，并通过 ２０℃ ＭＪ的 ＰＮ ８ 预 氧化 和 ９ ０℃碳 化进 一 步 制备 超 细碳 纤维 毡 。讨 论 了 ０ 对 纤 维制 备 的影 响 ，发 现 Ｐ Ｎ的 眠 大 于 Ａ
化学试剂有限公司） ；高纯氮气 （ ． ９９ ９ ９％，上海 申
中工业气体有限公司） 。 ｘ一 线 衍 射 仪 （ ／ ｘ ２５ Ｃ， １ 射 ＤＭａ 一 ５ ０ Ｐ ３本
Ｒ Ｇ Ｋ ）， 微 量 注 射 泵 （４ ０ ０ ， ， Ｃ ｌ — ＩＡ Ｕ ７９ ０—００ ５ ｏ ｅ
美 国 Ｎｃｌ ） ｉ ｅ ，流 变 仪 ｏｔ （ Ｖ—ｍ ， Ｂｏ ｋ ｅ ，美 Ｄ ｒ ｆｌ ｏｉ ｄ
高压 嘉流 静 电发生器
维具有连续 、密实 、直径 分布均 匀等特 点 。近年 ， Ｙ ｕ ｇ［ 等用静 电纺丝制得 具有较好 电化学特性的 ｏｎ ７ １
收稿 日期 ：２０ －９ ０ 修 回 日期 ：２０ —０ １ ０９ ０— ４ ０９ １— ２
１ Ｐ Ａ ） Ｃ ，上海华东 试剂工 业供 销
织造布织物的专利 。
远远高于工业 上现 已商业化 的碳纤 维 ，但 它的实 际
强度很 低 ｉ ，不 利于 后续 的应用 。作为 高效 吸附 ａ ｒ ］ 材料活性碳纤维 的前躯体 ，超细碳 纤维 的强度对后
续的活化以及应用影 响很大 。 本论文 通过 静电纺 丝 、预 氧化 、碳化制备了不
研 究 论 文
聚丙烯腈基超 细碳纤维毡 的制备及其 表征
姜 正雄 ，余 阳 ，周 美 华 术 （ 华 大 学 环 境 科 学 与 工程 学 院 ，上 海 ２ １２ ） 东 ０ ６０
摘 要 ：采用静 电纺丝 法制备 了不 同黏 均 分子质量 （ １ 聚 丙烯腈 （Ａ ）超 细纤 维毡 ，并通过 ２０℃ ＭＪ的 ＰＮ ８ 预 氧化 和 ９ ０℃碳 化进 一 步 制备 超 细碳 纤维 毡 。讨 论 了 ０ 对 纤 维制 备 的影 响 ，发 现 Ｐ Ｎ的 眠 大 于 Ａ
聚丙烯腈碳纤维性能表征规范(DOC)
聚丙烯腈碳纤维性能表征规范聚丙烯腈碳纤维的性能主要有力学性能、热物理性能和电学性能。
对于碳纤维材料来说，拉伸力学性能，包括拉伸强度、拉伸模量以及断裂伸长率是其主要力学性能指标。
由于纤维材料本身的特点，很难对其压缩力学性能进行有效的表征，因此基本不考虑纤维本身的压缩性能。
碳纤维的热物理性能包括热容、导热系数、线膨胀系数等，也是材料应用的重要指标。
电性能主要为体积电阻率以及电磁屏蔽方面的性能。
对于碳纤维的拉伸力学性能测试，各国都已经基本形成了相应的测试标准系列，这些标准系列同时包括了在力学性能测试时需要的线密度、体密度、上浆量等相关的测试。
对于热物理性能，相关的测试标准较少。
5.5.1 碳纤维性能测试标准日本从1986年开始发布了其碳纤维力学性能测试标准，有关标准见表5.30，其中JIS R7601-1986《碳纤维试验方法》涵盖了碳纤维单丝、束丝的拉伸力学性能测试方法外，还包括以及密度、上浆剂含量、线密度等测试方法及规范。
JIS R7601-2006《碳纤维试验方法（修正1）》是在国际对石棉制品应用规定严格的条件下，将JIS R7601-1986中拉伸性能测试中夹持用垫片的石棉材料进行了删除。
相比于JIS R7601-1986，JIS R7608-2007《碳纤维-树脂浸渍丝拉伸性能测试方法》被广泛地用于碳纤维力学性能的测试，其可操作性和规范性也更强。
表5.30 日本碳纤维测试标准序号标准号标准名称1 JIS R7601-1986 碳纤维试验方法2 JIS R7602-1995 碳纤维织物试验方法3 JIS R7603-1999 碳纤维-密度的试验方法4 JIS R7604-1999 碳纤维-上浆剂附着率的试验方法5 JIS R7605-1999 碳纤维-线密度的试验方法6 JIS R7606-2000 碳纤维单纤维拉伸性能试验方法7 JIS R7607-2000 碳纤维单纤维直径及断面面积试验方法8 JIS R7608-2007 碳纤维-树脂浸渍丝拉伸性能测试方法9 JIS R7609-2007 碳纤维体积电阻率测试方法10 JIS R7601-2006 碳纤维试验方法（修正1）日本东丽公司作为世界聚丙烯腈基碳纤维生产能力和水平最高的企业，也有自己的碳纤维力学性能测试内部规范，测试规范号和名称为TY-030B-01《碳纤维拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂延伸率测试方法》。
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聚丙烯腈碳纤维性能表征规范聚丙烯腈碳纤维的性能主要有力学性能、热物理性能和电学性能。
对于碳纤维材料来说，拉伸力学性能，包括拉伸强度、拉伸模量以及断裂伸长率是其主要力学性能指标。
由于纤维材料本身的特点，很难对其压缩力学性能进行有效的表征，因此基本不考虑纤维本身的压缩性能。
碳纤维的热物理性能包括热容、导热系数、线膨胀系数等，也是材料应用的重要指标。
电性能主要为体积电阻率以及电磁屏蔽方面的性能。
对于碳纤维的拉伸力学性能测试，各国都已经基本形成了相应的测试标准系列，这些标准系列同时包括了在力学性能测试时需要的线密度、体密度、上浆量等相关的测试。
对于热物理性能，相关的测试标准较少。
5.5.1 碳纤维性能测试标准日本从1986年开始发布了其碳纤维力学性能测试标准，有关标准见表5.30，其中JIS R7601-1986《碳纤维试验方法》涵盖了碳纤维单丝、束丝的拉伸力学性能测试方法外，还包括以及密度、上浆剂含量、线密度等测试方法及规范。
JIS R7601-2006《碳纤维试验方法（修正1）》是在国际对石棉制品应用规定严格的条件下，将JIS R7601-1986中拉伸性能测试中夹持用垫片的石棉材料进行了删除。
相比于JIS R7601-1986，JIS R7608-2007《碳纤维-树脂浸渍丝拉伸性能测试方法》被广泛地用于碳纤维力学性能的测试，其可操作性和规范性也更强。
表5.30 日本碳纤维测试标准序号标准号标准名称1 JIS R7601-1986 碳纤维试验方法2 JIS R7602-1995 碳纤维织物试验方法3 JIS R7603-1999 碳纤维-密度的试验方法4 JIS R7604-1999 碳纤维-上浆剂附着率的试验方法5 JIS R7605-1999 碳纤维-线密度的试验方法6 JIS R7606-2000 碳纤维单纤维拉伸性能试验方法7 JIS R7607-2000 碳纤维单纤维直径及断面面积试验方法8 JIS R7608-2007 碳纤维-树脂浸渍丝拉伸性能测试方法9 JIS R7609-2007 碳纤维体积电阻率测试方法10 JIS R7601-2006 碳纤维试验方法（修正1）日本东丽公司作为世界聚丙烯腈基碳纤维生产能力和水平最高的企业，也有自己的碳纤维力学性能测试内部规范，测试规范号和名称为TY-030B-01《碳纤维拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂延伸率测试方法》。
美国与碳纤维性能测试密切相关的标准为ASTM D4018-2011《连续碳纤维和石墨纤维束性能的测试方法》，其他线密度、密度等沿用纺织纤维、碳黑、塑料等标准进行（表5.31）。
欧洲也针对碳纤维特点制定了相关性能测试方法的标准（表5.32）。
表5.31 美国碳纤维性能测试相关标准序号标准号中文标准名称1 ASTM D4018-2011 连续碳纤维和石墨纤维束性能的测试方法2 ASTM D1505-2010 采用密度梯度法测试塑料密度的测试方法3 ASTM D1577-2007 纺织纤维线密度的测试方法4 ASTM D7633-2013 炭黑碳含量的测试方法5 ASTM D482-2007 石油产品灰分的测试方法6 ASTM D2257-1998 纺织品中可萃取物的测试方法7 ASTMD4102-1982 碳纤维的耐热氧化性的试验方法表5.32碳纤维性能测试欧洲标准序号标准号中文标准名称1 ISO10618-2004 碳纤维.树脂浸渍纱线拉伸特性测定2 ISO10548-2003 碳纤维.尺寸的测定3 ISO10119-1992 碳纤维.密度测定4 ISO10120-1991 碳纤维.线性密度的测定5 ISO10548-2003 碳纤维.胶料含量的测定6 ISO11567-1996 碳纤维.长丝直经和横截面积的测定7 ISO11566-1996 碳纤维.单丝样品抗拉性能的测定8 ISO13002-2-1999 碳纤维长丝纱.试验方法和通用规范我国的碳纤维力学性能测试标准主要参考日本和美国的标准进行制定，在一些细节和可操作性方面需要进一步提高。
随着我国碳纤维研究和生产水平的提高，我国碳纤维性能测试也逐渐形成了标准体系（表 5.33）。
目前我国碳纤维性能测试标准存在两个体系，一个是以GB/T 3362为核心的碳纤维复丝拉伸性能试验方法，基本满足了我国常规碳纤维力学性能的测试，但存在标准在一些方面还需要进一步改进，该标准同时规范了包括线密度、体密度、上浆剂含量的测试方法。
另一个是以GB/T26749为核心的碳纤维性能测试标准，在性能测试方面有了较完整的标准体系。
表5.33我国碳纤维性能相关测试标准序号标准号标准名称1 GB/T3362-1982 碳纤维复丝拉伸性能试验方法2 GB/T3362-2005 碳纤维复丝拉伸性能试验方法3 GB/T3364-2008 碳纤维直径和根数试验方法4 GB/T3366-1996 碳纤维增强塑料纤维体积含量试验方法5 GB/T3855-2005 碳纤维增强塑料树脂含量试验方法6 GB/T26749-2011 碳纤维浸胶纱拉伸性能的测定7 GB/T30019-2013 碳纤维密度的测定8 GB/T29762-2013 碳纤维纤维直径和横截面积的测定9 GB/T29761-2013 碳纤维浸润剂含量的测定10 GB/T23442-2009 聚丙烯腈基碳纤维原丝结构和形态的测定11 GB/T26752-2011 聚丙烯腈基碳纤维12 QJ3074-1998 碳纤维及其复合材料电阻率测试方法13 GB18530-2001 车间空气中碳纤维粉尘职业接触限值5.5.2 碳纤维单丝力学性能测试单丝力学性能测试可以较为简单快速的得到碳纤维拉伸力学性能，需要样品量少，通常十厘米左右的纤维样品就可以完成对碳纤维的力学性能表征，因此在早期应用较为普遍。
由于单丝力学性能测试结果存在人为影响较大、性能离散值较高等缺点，目前逐渐为束丝力学性能测试方法所取代。
对于碳纤维单丝力学性能测试，JIS R7601-1986和ISO11566-1996进行了详细的规定，包括制样、测试、试验次数等。
以JIS R7601-1986为例，对于单纤维的拉伸强度测试，需要将单根纤维从纤维束中抽出，并将其固定在试验用底纸上，用于固定单根纤维的底纸标准规定的形式如图 5.51，以确保拉伸试验时纤维标距为25±0.5mm。
测试是拉伸速度为0.5-10mm/min,以断裂时力值与单丝截面积计算拉伸强度，在断裂力值20%-60%拉伸-形变曲线部分以断裂力值的20%-30%计算模量值。
模量计算采用如下公式：K LP 1L L A P E ⨯∇∇-∇⨯∇= 其中E ：拉伸弹性模量，N/mm 2；ΔP 为载荷增加量，N ；A ：试验片的截面积mm 2；L ：试验片长度，mm ；ΔL ：伸长量，mm ；K ：装置柔量校正系数，mm/N 。
图5.51 单纤维固定用底纸装置柔量校正系数需通过不同标距测试，以断裂伸长/断裂力值对标距作图，延长到标距为零时的断裂伸长/断裂力值为装置柔量校正系数。
在计算拉伸强度和模量时，纤维截面积可以采用激光法、显微镜法、纤度和线密度计算法等。
对于试验次数，标准给出了详细的规定。
试验次数的确定首先需进行30次试验计算出变异系数，并根据试验要求的概率和精确度的要求，通过图5.52或5.53决定。
利用预先进行的试验结果，算出的平均值和标准偏差对应上述计算图，将其连接为一条直线，延长直线求出变动系数，将此变动系数与所定的精度连接为一条直线，延长直线与所定概率的刻度相交，求出试验次数。
如预先进行的试验结果平均值为35，标准偏差2.5，则变异系数为7.1%，所需试验精度为2.0%，则在95%概率下试验次数为51次，99%概率下试验次数为86次。
图5.52 试验次数确定图Ⅰ图5.52 试验次数确定图Ⅱ5.5.3 碳纤维束丝力学性能测试碳纤维的束丝力学性能测试，是将一束碳纤维作为整体进行拉伸测试，从而获得碳纤维的拉伸强度、拉伸模量以及断裂伸长率。
碳纤维的束丝力学性能测试的关键是在测试时丝束内所有纤维同时受力并发生断裂，因此需要对碳纤维进行上胶制样。
碳纤维复丝力学性能测试必须首先用高分子树脂对纤维束中的进行固定，因此需要采用浸渍树脂对纤维进行浸渍处理。
通常采用的浸渍树脂为环氧树脂的丙酮溶液。
为了确保浸渍均匀，必须保证树脂或者树脂溶液的粘度。
对固化后树脂，各标准都给出了相类似的要求，以日本标准为例，标准要求树脂固化后的最大变形，在碳纤维的拉伸形变的2倍以上，最好是3倍。
通常碳纤维性能测试标准都对测试环境的温湿度有着较严格的规定，但对于浸渍过程环境的温湿度并没有作相应规定，而研究发现，在对碳纤维进行树脂浸渍过程中，环境的温湿度，特别是湿度对最终碳纤维性能测试结果有着重要影响，环境湿度在大于50%时，所制备的样条在进行测试是断裂形式呈现多样化非正常断裂，使得测试结果偏低。
关于制样，可以采用人工或者机器进行上胶、烘干制样，所得到的样品须平滑无明显的胶滴。
样条固化后树脂含量通常为35-60%。
日本标准推荐了自动制样装置示意图如图5.53所示。
东丽公司TY-030B-01《碳纤维拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂延伸率测试方法》推荐的自动制样装置如图5.54，制样温度为25-30℃，制样张力100-200g/束，制样速度7m/min。
所制的样条树脂含量需要在30%以上。
图5.53 标准推荐的制样装置图5.54 东丽内部规范自动制样装置为了在测试时能够对试样进行很好的夹持，通常试样两端需要用加强片进行加强。
加强片可以采用各种材料，如衬纸、金属板、树脂浸渍玻璃纤维布、铸型热硬化树脂、热塑性树脂等。
图5.54为一种热塑性树脂加强片的形式，图5.55为金属加强片。
图5.54 热塑性树脂加强片图5.55 金属加强片在进行力学性能测试时，通常的标准规定的标距长度为150±5mm，或者200±5mm；没有附有加强片的试验片的场合，全长250±5mm，或者300±5mm，在采用引伸计测碳纤维模量时，纤维长度至少为引伸计长度的3倍。
测试样品数量方面，一般要求至少4个正常断裂的试样。
测试过程的拉伸速度不同标准规定不尽相同，GB/T3362规定的拉伸速度为1-20mm/min，ASTM D4018和JIS7608为不超过250 mm/min，而日本东丽公司内部测试规范为30-60 mm/min。
对于拉伸速度的规定，GB/T 3362是所有标准中最小的。
我国测试人员在实践中发现，对于通常碳纤维来说，拉伸速度对测试结果影响不大，为提高测试效率，因此可以适当放宽测试中的拉伸速度范围。
对于模量的测试，推荐使用引伸计，引伸计的量规长，最低50mm，最好是100mm。