碳纤维复合材料
1 概念
复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金，非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨和碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
碳纤维复合材料正是以碳纤维为增强相，与树脂、陶瓷或金属基体结合起来，形成具有优良性质的一种复合材料。
2 组织结构及相图
碳纤维是由邮寄纤维或低分子烃气体原料加热到1500℃所形成的纤维状碳材料，其含碳量为90%以上。它是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的物质，晶体层间距约为0.3360~0.3440nm，各平行层原子堆积不规则，缺乏三维有序，呈乱层结构。随加热温度升至2500℃以上，碳含量高于99%，层间距随之减小，说明碳纤维已由乱层结构向三维有序的石墨结构转化，称之为石墨纤维。碳和石墨纤维层面主要是以碳原子共价键相结合。而层与层之间是以范德华力相连接，因此碳和石墨纤维是各向异性材料。
图1 乱层结构（c）和石墨晶体结构（a、b）
图2 含有不同浓度的稀土的碳纤维复合材料的SEM照片
图3 碳纤维复合材料拉伸破坏形貌SEM照片
碳纤维复合材料的组织结构与所使用的原材料和制备工艺有密切的关系。一般而言它存在着四种相结构，即增强体、基体碳、界面和孔隙。由于短碳纤维复合材料中为了提高密度降低成本常常要加入一些焦碳颗粒等填料，因而其增强体，除了短碳纤维外，还存在有颗粒体。基体碳，可以是沉积碳树脂碳或沥青碳。界面自然是指各种增强体基体碳和孔隙
之间相互接触的部分。孔隙则是碳纤维复合材料中伴生的一种缺陷，它既指，增强体本身所含有孔隙，也指基体碳在形成过程中所产生的一些孔洞，以及由于各种相的热膨胀系数不匹配而在界面处所形成的一些裂缝。虽然短碳纤维增强复合材料的显微结构比连续碳纤维增强复合材料的要复杂，但由于它没有很强的军事背景，所以它的研究未引起人们的广泛关注。
在短碳纤维增强沥青基碳复合材料的制备过程中，粘接剂沥青在碳纤维和基体碳之间热解缩聚再进一步成焦，将碳纤维和基体碳连接成一个整体。粘接剂含量越大，碳纤维上附着的物质越多，这说明碳纤维和基体碳之间的焦桥越多，它们的结合强度也越大。对用酚醛树脂和沥青浸渍制备的C/C复合材料而言，在经过1800的高温碳化处理后，材料中已有石墨结构，出现其d
值为0.3362nm。SEM表明，沥青碳质中间相球体，有进一步融并向半焦002
转化的趋势，而玻璃碳的卷状结构有所减少。在通过CVI沉积和树脂浸渍制备碳纤维复合材料中，主要存在三种相组织，树脂碳、碳纤维和热解碳。由于三种相组织都较难石墨化，且难易程度不一，自然使得碳纤维复合材料的石墨化度较低，材质很不均匀。由此导致了此工艺制备的碳纤维复合材料的导热系数和热扩散率不高。
图4 沥青基石墨纤维从切面的投射电镜显微组织
图5 石墨片层之间的无定形碳颗粒
图6 石墨片层中的球形碳和缺陷区
图7 碳纤维宏观特征
图8 高强度（a）和高模量（b）碳纤维微观组织结构
3 碳纤维的主要性能
表1 各种材质碳纤维的主要性能
为了利用碳纤维,需要先认识碳纤维的特性,以便在生产实际中更好地应用这种新材料。碳纤维的主要特性:
①碳纤维的强度高,其抗拉强度可达3 000～4 000 MPa ,比钢大4 倍多;比铝高6～7 倍。
②弹性模量高。
③密度小,比强度高。碳纤维的质量是钢的1/ 4 ,是铝合金的1/ 2 ,比强度比钢大16 倍,比铝
合金大12 倍。
④能耐超高温。碳纤维可在2 000 ℃使用,在3 000 ℃非氧化气氛的高温下不融化,不软化。
⑤耐低温性能好。在- 180 ℃低温下,钢铁变得比玻璃脆,而碳纤维依旧很柔软。
⑥耐酸性能好。能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为50 % 的盐酸、硫酸和磷酸中,200 天后其弹性模量、强度和直径基本没有变化;在50 %浓度的硝酸中只是稍有膨胀,其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。耐油、耐腐蚀性能好;
⑦热膨胀系数小,导热系数大。可以耐急冷急热,即使从3 000 ℃的高温突然降到室温也不会炸裂。
⑧防原子辐射,能使中子减速。
⑨导电性性能好(5～17μΩm) 。
⑩轴向剪切模量较低,断裂伸长率小,使耐冲击差,并且后加工较为困难。
碳纤维增强复合材料( CFRP) 的性能
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。CFRP 是目前最先进的复合材料之一,它以轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能
优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料。CFRP 的力学性能主要取决于基体(常用环氧树脂) 的力学性质、碳纤维的表面性状以及纤维与键合界面的性质,而基体的性能及纤维的表面性状直接关系到界面的键合和粘接性能。
基体
CFRP 常用环氧树脂作为基体,它的粘接性好,机械性能优异,但是通用型的环氧树脂固化后,质地脆硬,抗冲击性能较差,耐热性不好,必须进行增韧改性。目前,较为成熟的增韧方法是将
固化前能和环氧树脂相容的橡胶溶解在树脂里,固化时,橡胶能顺利析出,呈两相结构。目前一般使用的都是RL P 型橡胶, 分子量小( 1 000 ～10 000) ,并带有能与环氧树脂反应的官能团,以便产生牢固的化学交联点。我们可以通过使环氧树脂基体结构含有芳香环以及增加交联密度等方法,来提高环氧树脂的使用温度和热稳定性,同时改善其与碳纤维的粘接性能。
碳纤维的表面性状
未经表面处理的碳纤维表面光滑,摩擦系数小,表面呈现出憎液性,从而导致与基体的润湿性差,粘结力低,复合材料的层间剪切强度( ILSS) ,界面剪切强度( IFSS) 均较低,达不到实际要求。常用的表面处理方法有氧化和涂层处理、电聚合与电沉积处理、等离子体处理等。利用电化学氧化(阳极氧化) 表面处理法,反应缓和,易于控制,处理效果好。经过表面处理的碳纤维利用有效的扫描隧道电镜(STM) 表面分析技术发现,其表面石墨层面边缘较大面积氧化,边缘活性点数量大量增加,致使凹凸不平的表面更有利于与基体的键合,复合材料的剪切性能提高。同时其表面能增加,显著改善了碳纤维与基体之间的润湿性,接触角减小,表面呈现出亲液性。另外,经表面处理后,其表面出现了大量的羟基、羧基、醌类等官能团,提高了碳纤维表面的极性,增强体与基体之间的润湿性和粘接程度。
1. 碳纤维的力学性能
研究表明，影响碳纤维弹性模量的直接因素是晶粒的取向度，而热处理条件的张力是影响这种取向的主要因素。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
与碳相似，除能被强氧化剂氧化外，对一般的酸碱是惰性的。空气中温度高于400℃时，出现明显的氧化。不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。碳纤维还有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。
3. 碳纤维的电学性能
碳纤维的电阻率Sb可用下式计算: ,其中Sb为碳纤维的体电阻率(Ω·cm) ; Rb为试样长L 的电阻(Ω) ; L：测电阻时的试样长度(cm) ; t - 试样的纤度( tex) ;ρ- 试样的体密度(g/ cm3) 。碳纤维的体电阻率Sb 除与测试长度L 及其电阻有关外,还与纤度和体密度有关。表2列出PAN基碳纤维电阻率与K 数、测试长度的关系。
表2 PAN基碳纤维电阻率与K数、测试长度的关系
4. 碳纤维的热学特性
碳纤维主要是靠格波传热。格波是量子化的,其量子叫做声子( Phone) ；热导率的大小与声子的平均自由行程有关,而平均自由行程与石墨层面La 相关。实验表明,La 愈大, 热导率λ也愈大。对于PAN 基碳纤维T300 , 热导率约为615W/ m ·k ,T800 为26W/ m ·k ,M4为85W/ m ·k ;对于中间相沥青基碳纤维P2120 ,热导率约是铜(398W/ m .k) 的116 倍,是铝(237W/ m ·k) 的217 倍。辐射波长λmax与温度T 有以下关系,即λmax .T= 2897 ,就是著名的维恩- 葛利琴位移定律。温度愈高,热辐射波长愈短。热辐射能的载体仍
是电磁波,波长为018～40μm 范围内的红外区；其中,90 %的热辐射波长在215～13μm 范围内。
4 碳纤维复合材料的应用
由于碳纤维复合材料与其他材料相比具有很多优异的性能，如碳纤维/环氧复合材料的密度比传统的金属小得多，即相同体积的材料，碳纤维/环氧复合材料比金属轻得多，它的线膨胀系数同样比金属小，这样就决定了碳纤维复合材料对热的敏感性比金属差，这对减轻所需制造物品的重量和提高抗疲劳性能大有益处；碳纤维复合材料的比强度、比模量比金属钢、铝、钛都要高，也就是说对于承受一定的力，碳纤维复合材料的重量比金属都要小，相当于可以减轻受力件的重量；碳纤维还有一个显著特点即各向异性、课设计性强，通过改变纤维的铺叠方向和方式，局部增强或者增强某一方向的受力状况，这样可以最大限度的增强产品的使用效果，而其它金属材料属于各向同性，即任一方向的性质基本相同；此外，碳纤维复合材料的的耐高低温性能、耐酸性能好，导电性能、吸震性能、耐摩擦、耐磨损性能优良，生物相容性好，生理适应性。因此，将碳纤复合材料作为重要的军工材料及高档民用材料，一方面可以保证产品的质量，另一方面又可以降低成本，拥有其他材料无法比拟的优势。
目前，在世界范围内，日本在宇航级小丝束碳纤维生产上占有绝对优势，从宇航级碳纤维生产能力上看，世界上一、二、三名被日本占领，世界上3/4的宇航级小丝束碳纤维的生产能力在日本；碳纤维的需求在北美、欧洲和亚洲基本上是鼎足之势，但其侧重点又有所不同，碳纤维在北美的应用以宇航高技术为主，亚洲则主要应用在体育休闲用品，欧洲重点在工业应用上。总体上来说，碳纤维复合材料主要应用于以下几个方面：
1、在高科技领域，碳纤维复合材料是发展航空、航天、导弹、火箭、卫星等尖端技术不可缺少的结构材料和耐烧蚀材料，随着其不断发展，已经逐渐成为一种先进的航空航天材料。例如，碳纤维增强碳级复合材料是一种高级复合材料，我国对碳-碳烧蚀材料相关的科技问题进行了深入的研究，其研究成果已在导弹弹头、固体火箭发动机壳体、卫星及飞船上等得到应用；用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性，改变陶瓷的脆性断裂形态，同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展，因此在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用。碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域也有着大量的应用，如航天飞机的舱门、仿生机械臂以及压力容器等因为应用碳纤维增强树脂基复合材料而具有质量轻、强度高等优点。碳纤维与聚合物复合的复合材料，作为一种先进的结构材料，有的
卫星85%的结构都已采用复合材料制造。
2、在民用应用领域，随着碳纤维产量的提高，碳纤维市场的扩大，价格不断降低，民用领域不断扩大，如碳纤维已经渗透到高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓鱼竿、游艇、赛艇、汽车构件、火车零件、石油、化工等多个领域。
（1）飞机和汽车制造业
随着航空制造技术的不断发展，先进民用飞机在结构中大量使用了碳纤维增强树脂基复合材料，主要部位有：整流包皮、副翼、发动机罩、阻力板、扰流器、起落架舱门、水平和垂直尾翼、方向舵以及其他主要及次要的承力结构件等。我国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件，其性能已全面达到国外水平，采用这一预制件技术所装备的国产碳-碳刹车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机，并在B757—200型民航飞机上使用，在其他机型上的使用也正在试验考核之中，并将向坦克、高速列车、高级轿车、赛车等推广使用。
（2）体育器材
如高尔夫球杆、钓鱼竿、渔线轮、网球拍、羽毛球拍、自行车架等，1987年，中山大学与东莞玻璃钢厂合作研制成功了碳纤维—玻璃纤维混杂增强环氧树脂的蜂窝夹层结构四人皮艇。
（3）风力发电机叶片
风力发电机叶片的尺寸取决于发电机额定功率的大小，随着风力发电机组的发电机额定功率越来越大，风机叶片的尺寸也越来越大，为了减少叶片的变形，在轴和叶片的某些部位采用碳纤维来补充其刚度，目前已收到较好的效果。
3、在工业领域，随着碳纤维成本的降低以及复合材料制造技术的发展，土木建筑和海底油田逐渐成为碳纤维复合材料应用领域的增长点。
（1）土木建筑
碳纤维加固建筑结构是以碳纤维复合材料代替传统金属材料制作建筑物的横梁、抗震结构，补强、修补或者加固桥梁。目前国外应用最多的是碳纤维用于结构抗震补强加固，即沿构件主轴垂直方向粘贴碳纤维布以改善加固部位的延性，提高其抗震性能。利用碳纤维材料优异的力学性能，通过约束混凝土的形式，改变原结构在地震反复载荷作用下的变形能力，达到补强加固的目的。如北京四环路健翔立交桥的改建，徐州某铁路大桥的补强修复，天津于家岭大桥的墩柱、墩帽加固，因此，随着碳纤维复合材料广泛应用于桥梁结构的加固，其应用前景必将越来越广泛。
（2）碳纤维复合材料抽油杆
以碳纤维复合材料代替传统材料制造油田勘探和开采器材以及平台、油气储罐等将会有很大的发展。据资料显示，2008年将近10%左右的新增抽油杆由碳纤维复合材料抽油杆取代，共需碳纤维420t左右，到2010年如果按15%的取代量计算，则碳纤维消耗可达624t。
4、关于汽车用碳纤维复合材料汽车工业为了应对国际上对于汽车二氧化碳的排放政策，必须提高燃油效率、降低汽车自身质量以及同时保证在安全与乘用舒适等方面研发革新技术。如日本丰田(TOYOTA)力争在2011年实现中小轿车轻量化10％，尼桑轿车在2015年实现轻量化15％，三菱2010年在概念车上实现30％轻量化。轻量化材料在新能源汽车和现有燃油汽车领域的应用都可降低油耗和减少排放，是国外汽车材料发展的重点。碳纤维复合材料在汽车上的应用方面，美国福特公司早已采用制造汽车传动轴、发动机罩、上下悬架臂等零部件，主要应用在结构件和受力件上。SMC的碳纤维复合材料首先成功批量应用于2003款的Dodge Viper车型和Mercedes Maybach车型的系列化生产中。据报道，梅赛德斯一奔驰推出的SI.R迈凯伦超级跑车使用了高性能碳纤维复合材料，时速可达334km／h，0～100km的加速时间仅为3.8s。这款车能够具有如此超高的时速，除了采用强悍的动力系统和借鉴F1赛车设计理念外，其车身几乎全部采用碳纤维复合材料制成，在碰撞中对能量的吸收能力比钢材或铝材高出4～5倍。宝马公司开发和试验高强、轻量碳纤维复合材料车体板和其他部件时采用碳纤维是Zoltok公司生产的大丝束产品，如BMW 3系列Touring和X5的后扰流板，BMWZA硬顶、后保险杆支架等。GKN公司在1988年开始研究碳纤维复合材料传动轴，给出了大量相关的专利文献报道。以碳纤维汽车传动轴为例，采用钢铁材料的传动轴一般为15kg，铝合金材料为12kg，而采用碳纤维复合材料传动轴则可下降为7．8kg。传动轴在Renault Espace Quadra上的使用开创了碳纤维复合材料汽车传动轴的先驱。Audi 80／90 Quattro在1989年首次使用碳纤维传动轴，并且使用车型一直延续到了1998年的Audi A4／A8 Quattro，此种型号的传动轴年产已达30000套。日本东丽公司在2008年度发布的碳纤维发展战略报告中统计表明：2007年度在尼桑GTR车型上使用碳纤维传动轴5000只；阿斯顿·马丁V8 Vantage Coupe车型上使用l万只；Mazda I 弭8型车上使用了13万只；尼桑Fairladyz2002型上使用了25万只，最大的应用量在MMC Pajero上，使用了50万只，总计达到了90万只。现在，制约碳纤维复合材料在汽车工业使用的最大障碍是碳纤维的成本，如果碳纤维原材料的价格下降到15～20美元／kg的水平，采用碳纤维复合材料可使大众型轿车从1340kg轻量化为970kg，从轿车等级来讲，全球现在小汽车的销量为6400万辆，顶级轿车为4万辆，按照每辆使用lOOkg碳纤维计，将消耗碳纤维o．4万t；豪华轿车50万辆，将消耗5万t碳纤维；而大众型轿车6000万辆，
将消耗600万t碳纤维，2008年度世界碳纤维的消耗量才3．5万t左右，因此，碳纤维在汽车上的应用也像碳纤维在大飞机(A380，B787)上一样成功的话，将带动碳纤维产业的飞速发展。
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碳纤维的特性及应用 碳纤维是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点，归纳如下： 一、轻质、高强度、高模量 碳纤维的密度是1.6-2.5g/cm3，碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上。因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。 二、热膨胀系数小 绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室内为负数（-0.5～-1.6）×10-6/K，在200～400℃时为零，在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可作为标准衡器具。 三、导热性好 通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。 四、耐化学腐蚀性好 从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有机化学药品都很稳定，可以制成各种各样的化学防腐制品。我国已从事这方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广。 五、耐磨性好 碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石棉制成高级的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。 六、耐高温性能好 碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右，陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航空航天工业。 七、突出的阻尼与优良的透声纳 利用这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声纳导流罩等。 八、高X射线透射率 发挥此特点已经在医疗器材中得到应用。 九、疲劳强度高 碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环试验后，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻璃钢则只有20%-25%.因此设计制品所取的安全系数，碳纤维复合材料为最低。
1炭素纤维技术介绍 1.1炭素纤维生态草处理技术简介 炭素纤维生态草是用于净化受污染水域，修复水环境生态的优良选择，其实现了对环境的零负荷与完全的生物安全。 炭素纤维生态草具有极高的吸附性与生物亲和性，太阳光照射，炭素纤维生态草发出超音波，吸引微生物菌群。这些菌群在其表面形成粘着性活性生物膜。这些微生物以有机污染物为食，通过自身的新陈代谢作用分解水体中的有机污染物。同时很重要的是，以微生物为食的小鱼等其他小生物会聚集在炭素纤维生态草的周围，炭素纤维生态草成为鱼类及其他高级水生动物的优良卵床与养育空间。水体中的生物链，食物链修复回健康状态。水体恢复生命。利用炭素纤维治理水，构建水下森林，给水生生物搭建栖息地，以微生物、小虾小鱼、大鱼为基础的循环生态链逐步建立。 在日本，利用炭纤维技术，成功的修复了受污染的榛名湖，挽救了面临灭绝的当地独有的公鱼以及当地的传统旅游业。在其他240个案例与实验中，炭纤维的这些特性，是都得到证明的。在中国海南三亚市、江苏省苏州市景观河湖水质改善及生态修复项目上得到应用。项目水质指标均达到设计要求，水体生物多样性得到有效改善。 1.2炭素纤维生态草技术特征 a) 高生物附着比表面积 炭素纤维生态草比表面积1000m2/g.利用此特性，其能高效吸收、吸附、截留水中溶解态和悬浮态的污染物，提高水体的透明度，并为各类微生物、藻类和微型动物的生长、繁殖提供良好的着生、附着或穴居条件，最终在炭素纤维上形成薄层的具有很强净化活性功能的“生物膜”。 炭素纤维生态草与其它载体生物附着比表面积的比较
b) 生物膜结构 在炭素纤维表面形成的生物膜一个断面上，由外及里形成了好氧、兼性厌氧和厌氧三种反应区。在好氧区，好氧菌将氨氮转化为硝基氮，并把小分子有机物转化为二氧化炭和水（把可溶的无机磷转化为细胞体内的ATP），在厌氧区，厌氧菌将硝基氮转化为氮气和氧气（把难分解的大分子有机物分解为可降解的小分子有机物）。最终污染基团就被分解转化成逸出水体的N2、CO2和H2O。附着在炭素纤维上的大量微生物群，微生物群难以脱落，其上黏附的污染物难以溶出及扩散，抑制了环境的恶化。在水流的影响下，产生收缩运动，从而促进了污染物质的分解。 c) 专利编织技术，平铺、垂立安装设计 炭纤维人工草场的专利编织组合方式，可以促进海藻及生物类的着床同时形成水体珊瑚礁功能，更有利于孵化、养鱼幼鱼及其他水生动物，躲避大鱼的袭击。平铺形式的西阵带织物状，可以有效的消减底泥污染，抑制底泥内源污染物的释放。悬挂水中放置形式，解决了水体中间层微生物的载体问题。（水表面好氧菌活跃层、底层厌氧菌在底泥内部活跃，水体中间因缺乏微生物载体而微生物活动性不强）。安装设置容易结合景观文化设计，可利用生物浮岛等配合进行景观的绿化与文化内涵的结合。 d) 基于声波效应特性与材料特性基础上的生物亲和性 炭素纤维生态草，经太阳光等射线照射后，发出声波，其波段与微生物感知波段吻合，形成呼应，促使微生物迅速聚集在炭纤维周围。其发出的声波一方面激活微生物，提高微生物膜的活性，提高污染物分解速度；另一方面，通过声波吸引鱼虾贝类，聚集在其周围，形成具有生产者、消费者、分解者的完整生态链。同时炭素纤维柔软且表面形成黏着性的生物膜，是鱼、虾、贝类等水生生物优良的产卵、生息的繁殖场所，经过科学实验观察，其生物卵床功能甚至优于真实水
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
碳纤维材料的性能及应用 摘要：介绍了碳纤维及其增强复合材料，详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民用领域的应用，并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。 关键词：碳纤维性能应用 0引言 碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性，在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐，对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。 1碳纤维材料 何为碳纤维材料 碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域??体育休闲领域以及汽车制造、
碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、
碳纤维性能的优缺点及其对策 现面以结构加固用的碳纤维布为例说明碳纤维的性能： 碳纤维布加固技术是利用碳素纤维布和专用结构胶对建筑构件进行加固处理，该技术采用的碳素纤维布强度是普通二级钢的10倍左右。具有强度高、重量轻、耐腐蚀性和耐久性强等优点。厚度仅为2mm左右，基本上不增加构件截面，能保证碳素纤维布与原构件共同工作。 1、碳纤维介绍 碳纤维根据原料及生产方式的不同，主要分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维及沥青基碳纤维。碳纤维产品包括PAN基碳纤维（高强度型）及沥青基碳纤维（高弹性型）。 2、环氧树脂 不同类型的树脂还可以保证其对砼具有良好的渗透作用，例如底涂树脂；以及对碳纤维片与砼结构的粘接作用，例如环氧粘结树脂等。 （1）环氧树脂简介 仅仅依靠碳纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作，才能达到补强的目的。因此，环氧树脂的性能是重要的关键之一。环氧树脂因类型不同而有不同的性能，适应于各个部位的不同要求。例如底涂树脂对混凝土具有良好的渗透作用，能渗入到混凝土内一定深度；粘贴碳纤维片的环氧树脂易于"透"过碳纤维片，有很强的粘结力。依使用温度的不同，树脂还分为夏用及冬用类树脂。 2、碳纤维材料与其他加固材料对比 （1）抗拉强度：碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍。 （2）弹性模量：碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。 （3）疲劳强度：碳纤维和芳纶纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝。金属材料在交变应力作用下，疲劳极限仅为静荷强度的30%～40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70%～80%，并在破坏前有变形显著的征兆。 （4）重量：约为钢材的五分之一。 （5）与碳纤维板的比较：碳纤维片材可以粘贴在各种形状的结构表面，而板材更适用于规则构件表面。此外，由于粘贴板材时底层树脂的用量比片材多、厚度大，与混凝土界面的粘接强度不如片材。
人员分工情况 资料收集：蔡煜简江婷婷宋爽韵周晓楠张领中英文摘要：蔡煜张领周晓楠 内容编写：发展部分简江婷婷宋爽韵 现状与差距部分蔡煜张领周晓楠排版校对：简江婷婷宋爽韵 宋爽韵 20110815023 简江婷婷 20110815036 蔡煜 20110815045 周晓楠 20110815047 张领 20110815050
碳纤维的发展与现状 学生：蔡煜简江婷婷宋爽韵周晓楠张领指导老师：秦文峰 摘要:简要介绍了碳纤维的性能、发展历史以及在航空航天领域中的应用，同时分析了国内外碳纤维的发展差距，给出了对我国碳纤维发展的建议。 关键词：碳纤维;碳纤维复合材料;应用领域;发展差距;发展建议 Abstract：The brief introduction of the performance and development history and application in the aviation&aerospace field of carbon fiber ,the analysis of the development gap of carbon fiber between home and abroad ,the advises of carbon fiber’s development to our country are given in this paper. Key words：carbon fiber;carbon fiber composites;application territory; development gap;development advises
碳纤维国内技术和生产 现状简介 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
国内碳纤维技术及生产现状 我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，历经近40年的漫长历程。在此期间，由于国外把碳纤维生产技术列入禁运之列，严格控制封锁，制约了我国碳纤维工业的发展。我国科技工作者发扬自力更生的精神，从无到有，逐步建成了碳纤维的工业雏型。20世纪70年代初突破连续化工艺，1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，当时生产能力为2t/a。20世纪80年代开展了高强型碳纤维的研究，于1998年建成一条新的中试生产线，规模为40t/a。我国主要研究单位有中科院山西煤化所、上海合纤所、北京化工大学、山东工业大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等。 我国目前使用碳纤维量约占世界用量的1/5。巨大的市场潜力，供不应求的局面，必然促进我国碳纤维工业的发展。但是，要想进入竞争的市场，一是要保证产品的质量，二是要求价位相当。针对我国碳纤维工业的现状，需首先解决高性能PAN原丝的质量，在这基础上才有可能产业化，这是进市场的前提；同时，还需进行预氧化，碳化，石墨化设备及表面处理装置的工程化开发，使其形成规模化生产能力，才能在保证质量的基础上降低成本。目前，内内研究开发以及生产碳纤维的呼声很高，发展趋势令人鼓舞。 但由于对我国碳纤维产业发展的建议目前我国高性能碳纤维无论在质量上还是数量上与国外相比还有一定差距，远远满足不了需求。为此，尽快研究和发展我国自己的高性能碳纤维材料已迫在眉睫。碳纤维是一门多学科交叉、多技术集成的系统工程，质量的提升涉及到方方面面。以下几个方面应优先考虑。 1、提高PAN原丝质量 PAN原丝不仅影响碳纤维的质量，而且影响其产量和生产成本。换言之，只有高质量的原丝才能生产出高性能碳纤维，才能稳定生产，提高产量，降低成本。对于现代碳纤维
聚丙烯腈基碳纤维简介及其发展概况 摘要：聚丙烯腈基碳纤维为人造合成纤维，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。生产碳纤维采用特殊组分且性能优异的专用PAN基纤维即ＰＡＮ原丝。本文简要介绍国内外PAN基碳纤维的发展概况和现状，ＰＡＮ基碳纤维的应用，重点介绍了PAN基碳纤维的结构、性能、纺丝、制备等技术，以及分析我国碳纤维与世界先进国家之间的差距及存在的问题且提出一些建设性意见。 关键词：聚丙烯腈基碳纤维纺丝国内外发展比较差距 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。碳纤维是一种以聚丙烯腈(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，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、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。PAN基生产工艺简单，产品综合性能好，因而发展很快，产量占到９０％以上，成为最主要的的品种。 一、碳纤维及其发展史 1.1碳纤维的先驱——斯旺和爱迪生 碳纤维的起源可追溯到１９世纪６０年代，１８６０年，英国人约瑟夫·斯旺用碳丝制作灯泡的灯丝早于美国人爱迪生。十九世纪后期他俩各自设计出了白炽灯泡．他是研制碳丝的第一人，同时他的利用挤压纤维素成纤技术为后来合成纤维的问世起到了启迪作用。 爱迪生解决了碳丝应用与白炽灯的灯丝问题，他发明的电灯，这也是碳丝第一次得到了实际应用。１９１０年库里奇发明了拉制钨丝取代了碳丝作为灯丝，从此碳丝的研制工作停止了下来。指导了２０世纪５０年代碳丝的研制又重新出现在现在的材料科学的舞台上，但研究的目的是为了解决战略武器的耐高温和耐烧耐腐蚀材料，今天的碳纤维已经形成了一个举足轻重的新型材料体系，已广泛应用于航空、军事和民用工业领域，而且仍在强劲发展．1.2碳纤维的三大原料路线 黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维，其中以聚丙烯腈基碳纤维应用最为广泛，也是本文将要为大家介绍的。 1.3聚丙烯腈碳纤维的发明者――近藤昭男 近藤昭男从业于大阪工业大学技术实验所，在碳研究室从事于碳素的崩散现象和碳素的崩散碳素胶状粒子的研究。他研究了应运腈纶在一系列热处理过程中物性和结构的变化，即开始研制ＰＡＮ基碳纤维。虽然近藤昭男发明了用ＰＡＮ原丝制造碳纤维的方法，但英国人瓦特在预氧过程中施加张力牵伸，打通了制取高性能碳纤维的工艺流程，从而牵伸贯穿了氧化和碳化的始终，成为研制碳纤维的重要工艺参数。所以近藤昭男发明了用PAN基原丝制造碳纤维的新方法，瓦特打通了制造高性能ＰＡＮ基碳纤维新工艺。 1.4从日本东丽公司碳纤维发展历程看PAN基原丝的重要性。 日本东丽公司无论碳纤维的质量还是产量都居世界之首，以该公司研发碳纤维历程给人们一个启迪，即原丝是制取高性能碳纤维的前提，没有质量好的原丝就不可能产出好的碳纤维 东丽公司成立于1926年，1962年开始研制PAN基碳纤维，原丝为民用腈纶，产不出
读《碳纤维及石墨纤维》总结 一、碳纤维和石墨纤维的发展概况 1.研究碳纤维的先驱： 1860年，英国人约琴夫?斯旺（J. Swan）用碳丝制作灯泡的灯丝，早于美国人爱迪生（T. A. Edsion）。斯旺未能解决灯泡的真空问题，爱迪生解决的真空问题。斯旺提出利用孔口挤压纤维素成纤维技术，为后来的合成纤维提供启示。 2.聚丙烯腈基碳纤维的发明者： 进藤昭男（日本大阪工业技术试验所）从事碳素的崩散现象和崩散素胶状粒子的研究以及反应堆所用碳材料中微量彭元素的去除。 进一步，他研究了民用腈纶在一些列热处理过程中物性和结构的变化，即开始研制PAN基碳纤维。研究结论是PAN纤维需要经氧化处理才能得到碳纤维，确定了制取PAN基碳纤维的基本工艺流程，即氧化和碳化。但未能制造性能好的碳纤维。 英国人瓦特（W. Watt）在预氧化的过程中施加张力牵引打通了制取高性能碳纤维的流程工艺，从此牵伸贯穿于氧化和碳化的始终，成为制造碳纤维最重要的工艺参数。 目前，牵张力已细化和量化，在不同热处理过程中施加适量的牵张力，以满足结构的转化。3.从东丽公司碳纤维发展历程看原丝的重要性： 日本东丽公司在碳纤维的质量和产量均位于世界之首。公司发展启示：原丝是制取高性能碳纤维的前提。 1962年，公司采用民用腈纶为原丝，但生产不出质量较好的碳纤维。 1967年，研究适合制造碳纤维的共聚原丝，把提高PAN（聚丙烯腈）原丝质量放在第一位。 目前主要经营T300（碳纤维，300为拉伸强度3Gpa），M40（石墨纤维,拉伸模量40Gpa）。 1981年，波音公司提出高强度、大伸长的碳纤维需求，制造大型客机的一次结构材料。 1984年，东丽公司成功研制T800，满足波音公司需求。 1986年，研制T1000；1992年，研制了M70J。 目前，T800H已经是制造大飞机（A380和B787）的主要增强纤维。T1000是碳纤维中拉伸强度最高、断裂伸长最大的碳纤维。M70J的拉伸模量最高达到690Gpa，是目前PAN基石墨纤维中最高的纤维。 碳纤维的单丝截面的SEM图从肾形（1976）变为圆形。圆形（2006）的碳纤维成为碳纤维质量的指标之一。 4.我国PAN基碳纤维的研究： 起始于20世纪60年代中期，中科院山西煤炭化学研究所于1976年建成我国第一条生产线。 整经加捻送丝机（100束）->1#预氧化炉170~220℃和牵伸5%->2#预氧化炉220~240℃和牵伸1%->3#预氧化炉240~270℃和牵伸0%->低碳炉400~700℃->高碳炉1250℃->浸胶槽->红外灯烘干->收丝机（100束）。加工后碳纤维的拉伸强度为2.8Gpa，拉伸模量为250Gpa，断裂伸长率为1.5%。 为了提高碳纤维的拉伸强度，当时采用补强处理。实验表明碳纤维的拉伸强度越低其补强效果越
碳纤维加固混凝土结构施工工艺 碳纤维复合材料具有抗拉强度高、密度小、耐腐蚀性和耐久性好等优点，碳纤维片加固补强混凝土结构的应用研究始于 20 世纪 80 年代美国、日本等发达国家，进入 20 世纪 90 年代中后期我国的许多科研机构和企业也相继进行了这方面的试验研究。 目前，在我国的北京、上海、天津、江苏、福建等许多地区的桥梁和工民建工程中得到了广泛的应用。其中有些是由于意外事故而导致结构或构件的承载能力而需补强加 固的；有些是由于混凝土强度或配筋不足而需补强加固的；有些是由于结构或构件达到或接近使用年限而需加固的；还有部分建筑是未进行抗震设防的，满足不了《建筑抗震鉴定标准》 GB50023-95 要求，需进行抗震加固。中国革命历史博物馆（以下简称“革历博”）就是属于后两种情况，进行综合比较后选择了碳纤维粘贴抗震加固的方式。下面结合“革历博”具体工程实例谈一谈碳纤维加固混凝土结构的 施工工艺。 ?碳纤维片加固简介 （ 1 ）特点 ①高抗拉强度、高弹性模量。 ②施工方便，无需任何夹具、模板，能适应各种结构外形的补强而不改变构件外形尺寸，可多层粘贴，并能有效地封闭混凝土的裂缝；
③耐腐蚀及耐久性能好。 ④不增加结构自重。 （ 2 ）适用范围。适用于各种形式的钢筋混凝土结构或构 件的加固补强。 （ 3 ）加固机理。利用专用环氧树脂将抗拉强度极高的碳 纤维片粘贴于混凝土结构表面，并与之形成整体，共同工作。 ?施工工艺 在碳纤维加固施工前，应尽可能地卸去部分荷载，使碳纤维粘贴施工时结构或构件承受的荷载作用减小到最小程度。其加固施 3.1 混凝土基底处理 （ 1 ）裂缝处理。宽度小于 0.2mm 的裂缝，用环氧树脂进 行表面涂抹封闭；大于 0.2mm 的裂缝用环氧树脂灌缝。“革 历博”抗震加固的大梁大部分都有宽度不一的裂缝，最大裂 缝达到 1mm 以上，为此我们对所加固的主梁首先进行了压 力灌胶处理。 （ 2 ）将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净，达 到结构密实部位，使其表面平整。
碳纤维制备工艺简介资料． 碳纤维制备工艺简介 碳纤维(Carbon Fibre)是纤维状的碳材料，及其化学组成中碳元素占总质量的90%以上。碳纤维及其复合材料具有高比强度，高比模量，耐高温，耐腐蚀，耐疲劳，抗蠕变，导电，传热，和热膨胀系数小等一系列优异性能，它们既可以作为结构材料承载负荷，又可以作为功能材料发挥作用。因此，碳纤维及其复合材料近年来发展十分迅速。
一、碳纤维生产工艺 可以用来制取碳纤维的原料有许多种，按它的来源主要分为两大类，一类是人造纤维，如粘胶丝，人造棉，木质素纤维等，另一类是合成纤维，它们是从石油等自然资源中提纯出来的原料，再经过处理后纺成丝的，如腈纶纤维，沥青纤维，聚丙烯腈(PAN)纤维等。 经过多年的发展，目前只有粘胶(纤维素)基纤维、沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维三种原料制备碳纤维工艺实现了工业化。 1，粘胶(纤维素)基碳纤维 用粘胶基碳纤维增强的耐烧蚀材料，可以制造火箭、导弹和航天飞机的鼻锥及头部的大面积烧蚀屏蔽材料、固体发动机喷管等，是解决宇航和导弹技术的关键材料。粘胶基碳纤维还可做飞机刹车片、汽车刹车片、放射性同位素能源盒，也可增强树脂做耐腐蚀泵体、叶片、管道、容器、催化剂骨架材料、导电线材及面发热体、密封材料以及医用吸附材料等。
虽然它是最早用于制取碳纤维的原丝，但由于粘胶纤维的理论总碳量仅44.5%，实际制造过程热解反应中，往往会因裂解不当，生成左旋葡萄糖等裂解产物而实际碳收率仅为30% 以下。所以粘胶(纤维素)基碳纤维的制备成本比较高，目前其产量已不足世界纤维总量的1％。但它作为航空飞行器中耐烧蚀材料有其独特的优点，由于含碱金属、碱土金属离子少，飞行过程中燃烧时产生的钠光弱，雷达不易发现，所以在军事工业方面还保留少量的生产。 2，沥青基碳纤维 1965年，日本群马大学的大谷杉郎研制成功了沥青基碳纤维。从此，沥青成为生产碳纤维的新原料，是目前碳纤维领域中仅次于PAN基的第二大原料路线。大谷杉郎开始用聚氯乙稀(PVC)在惰性气体保护下加热到400℃，然后将所制PVC 沥青进行熔融纺丝，之后在空气中加热到260℃进行不熔化处理，即预氧化，再经炭化等一系列后处理得到沥青基碳纤维。 目前，熔纺沥青多用煤焦油沥青、石油沥青或合成沥青。1970年，日本吴羽化学工业公司生产的通用级沥青基碳纤维上市，至今该公司仍在规模化生产。1975年，美国联合碳化物公司(Union Carbide Corporation)开始生产高性能中间相沥青基碳纤维“Thornel-P”,年产量237t。我国鞍山东亚精细化工有限公司于20世纪90年代初从美国阿石兰石油公司引进年产200t通用级沥青基碳纤维生产线，1995年已投产，同时还引进了年产45t活性碳纤维的生产装置。 3，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维 PAN基碳纤维的炭化收率比粘胶纤维高，可达45％以上，而且因为生产流程，溶剂回收，三废处理等方面都比粘胶纤维简单，成本低，原料来源丰富，加上聚丙烯腈基碳纤维的力学性能，尤其是抗拉强度，抗拉模量等为三种碳纤维之首。所以是目前应用领域最广，产量也最大的一种碳纤维。PAN基碳纤维生产的流程图如图1所示。
碳素纤维又称碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）。在国际上被誉为“黑色黄金”，它继石器和钢铁等金属后，被国际上称之为“第三代材料”，因为用碳纤维制成的复合材料具有极高的强度，且超轻、耐高温高压。 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。 1880年美国爱迪生首先将竹子纤维碳化丝，作为电灯泡内之发光灯丝，开启了碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）之纪元。碳纤维用在结构材料，首先问世者，则以美国Union Carbide公司（U.C.C.）为代表，并于1959年将嫘萦纤维为原料，经过数千百度之高温碳化后，得到弹性率约40GPa，强度约为0.7GPa之碳纤维；尔后，1965年该公司又用相同原料于3000℃高温下延伸，开发出丝状高弹性率石墨化纤维，弹性率约500GPa，强度约为2.8GPa。 另外，于日本大阪工业技术试验所之进藤博士，则以Polyacrylonitrile（简称PAN）聚丙烯腈为原料，经过氧化与数千度之碳化工程后，得到弹性率为160GPa，强度为0.7GPa之碳纤维。1962年日本碳化公司（Nippon Carbon Co.）则用PAN为原料，制得低弹性系数（L.M.）之碳纤维。东丽公司亦以PAN纤维为原料，开发了高强度之CF，弹性率约为230GPa，强度约为2.8GPa，并于1966年起有每月量产1吨之规模；同时亦开发了碳化温度2000℃以上之高弹性率CF，弹性率约400GPa，强度约为2.0GPa。于1965年，群马大学大谷教授，利用加热氯乙烯（Vinyl Chloride）得到之沥青（Pitch），经过熔融纺丝、不融化与碳化工程处理后，得到普通级碳纤维；大谷教授亦可利用木质素（Lignin）为原料制作碳纤维。 碳纤维之需求量虽逐渐扩大，但1991年以后冷战结束后，军事用途之使用量萎缩，复因泡沫经济与景气萧条，供需失去平衡，产业受到冲击。然而，美国波音公司新锐机型B777之生产，加上土木、建筑、汽车与复合材料之扩大应用，碳纤维产业逐渐缓步成长中。 2.碳纤维之种类 经高温处理后，其含碳量超过90％以上之纤维材料，称之为碳纤维。碳纤维之种类分类有许多方法，可依原料、特性、处理温度与形状来分类。若依原料可分为纤维素纤维系之嫘萦（Rayon）系与木质（Lignin）系；聚丙烯腈（Polyacrylonitrile）系；沥青（Pitch）系； 酚树脂系与 气相碳纤系等六种。若依特性则分为普通碳纤维；高强度高模数碳纤维与活性碳纤维等三种。普通碳纤维之强力在120㎏/㎜2以下，杨氏模数（Young掇Modulus）在10000㎏/㎜2以下者称之；高强度高模数者，则强力在150㎏/㎜2以上，模数在17000㎏/㎜2以上时称之。 若依加工处理温度分类时，则可分为耐炎质；碳素质与石墨质等三种。耐炎质碳纤之处理加热温度为200～350℃，可供作电气绝缘体；碳素质碳纤之处理加热温度为500～1500℃，可供电气传导性材料用；石墨质碳纤之处理加热温度在2000℃以上，除耐热性与电气传导性提高外，亦具自我润滑性。 若按碳纤维制品之形状分类时，可分为棉状短纤维；长丝状连续纤维；纤维束（Tow）； 织物； 毡毯与 编制长形物等。 3.碳纤维之研制 3.1 嫘萦系碳纤维 嫘萦纤维素纤维加热处理时不会熔融，若在无氧状态下的不活性气体（Inert Gas）中加热处理，则极易取得碳纤维。3.2 聚丙烯腈系碳纤维 聚丙烯腈（PAN）系碳纤维之制造工程大致可分为聚丙烯腈纤维之制备；安定化工程（耐炎化）；碳化工程； 表面处理与上浆工程； 石墨化工程等五个程序。 3.3 沥青系碳纤维 原油经900℃以上之高温提炼后的残渣中，约含有95wt％之碳质，若以电解法去除其中之硫酸，再经水洗后可得纯度极佳之沥青（Pitch）。 3.4 气相成长碳纤维
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。 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。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。上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
碳纤维材料介绍 碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。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，也高于钢。 碳纤维复合材料可用作汽车车身、底盘、传动轴、轮毂、板簧、构架和刹车片等制件。目前钢铁材料约占车体重量的3/4，如果汽车的钢材部件全部由碳纤维复合材料置换，车体重量可减轻300kg，燃油效率提高36%，二氧化碳排放量可削减17%。 一、碳纤维的优点 1、比强度高，是最佳的轻质高强车体材料。 2、轴向强度、模量高，无蠕变，制作传动轴。 3、正面碰撞时成无数细小碎片，吸收大量的撞击能（是钢结构4倍）安全性高。 4、兼备纺织纤维的柔软，可加工性强。 5、有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性好，寿命长，维修费用低。 6、冷热膨胀系数小，极端气候条件下尺寸稳定性高。
7、活性碳纤维超级电容器可提高能量密度，又可降低成本适用于电动车制动。 8、复合材料容易成型，制得满足空气动力学原理及美观需求的外形曲面。 9、表皮光滑美观，制造车身，可以省去高成本、繁琐的涂装工艺。 10、将不同零件一体成型，便于汽车结构的模块化、整体化制造。 碳纤维在汽车的应用实现了轻量化和刚性需求，达到节能减排、降低油耗的目的，碳纤维材料可以作为未来汽车的主流材料。 二、碳纤维的弊端 1、工艺复杂，主要采用热压罐,真空导入等传统工艺，这种工艺生产效率低、生产周期长、产品造价高，无法满足汽车大批量规模化生产要求。 2、成本相对高昂，碳纤维材料的价格是金属材料的数倍，制约了其在汽车领域的应用与发展。 3、设计人才缺乏，且由于该技术之前较少在国内应用，所以从事过碳纤维量产部件设计的人才非常稀缺。 总之，无论从性能还是环保角度出发，汽车轻量化都已成为一种必然趋势，而采用碳纤维材料是汽车轻量化的必由之路。中国正在大力推进新能源汽车的发展，所以碳纤维材料在新能源汽车领域中的应用前景非常广阔。
Material Sciences 材料科学, 2018, 8(10), 965-967 Published Online October 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/954149450.html,/journal/ms https://https://www.doczj.com/doc/954149450.html,/10.12677/ms.2018.810113 Development and Application of Carbon Fiber Materials Jianzhong Shi1, Fengjun He2, Jie Zhang1, Donghong Wang1, Jing Yang1 1No. 33 Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Taiyuan Shanxi 232152 PLA Troops, Shijiazhuang Hebei Received: Sep. 2nd, 2018; accepted: Oct. 1st, 2018; published: Oct. 8th, 2018 Abstract Carbon fiber material is a new type of material rising in recent years. Because of its excellent physical properties, it is widely used in military, aerospace, aviation and other fields. With the continuous innovation of carbon fiber technology, carbon fiber costs continue to reduce, and car-bon fiber materials are gradually used in people’s daily life. In this paper, the characteristics of carbon fiber materials are introduced, around the development of carbon fiber applications and technology, to illustrate the representative application of carbon fiber materials excellent per-formance and wide use. Keywords Carbon Fiber, Composite Material, CFRP 碳纤维材料的发展及应用 史建中1，何凤军2，张捷1，王东红1，杨静1 1中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西太原 2中国人民解放军32152部队，河北石家庄 收稿日期：2018年9月2日；录用日期：2018年10月1日；发布日期：2018年10月8日 摘要 碳纤维材料是近些年来兴起的新型材料，由于其优异的物理特性被广泛用于军事、航天、航空等领域。 随着碳纤维技术的不断创新，碳纤维成本的不断降低，碳纤维材料逐渐应用于人们日常生活中。本文通
纱架放丝岗:在恒温恒湿张力平稳的条件下把原丝舒展开送入下一道工序氧化炉。安全注意防止平台跌伤。加湿器的主要作用是除静电、减少丝束间差异。“雾化”“喷淋”的形式，现在停用主要原因是原丝的油剂遇水黏连辊子。 氧化炉为碳化做准备。预氧化过程的目的是是热塑性的PAN线性大分子链转化为非塑性耐热梯形结构，使其在碳化高温下不熔不燃，保持纤维形态，最后转化为乱层石墨结构的碳纤维。四个温区温度为236/242/248/248，上七层下八层共三十层，有效温区长度15米。炉内要求温度均一性，风速均一性。形成温度梯度，由低温到高温逐步氧化，若温度高，氧化太快，纤维皮层很快形成致密的皮芯结构，阻挡氧向内部结构扩散。送风和排风系统主要的3个作用：1、提供预氧化反应所需的氧。2、带走反应热和热解产物。3、使炉内温度均匀。驱动牵伸可以保持原丝取向度，调节线密度。 低温碳化炉低温碳化炉4个温区，加热元件热电偶，升温速率为50℃/H，2#温区两侧位排废口，废气排放口也是废气产生最多的地方。炉温在400—1000℃在这个阶段预氧丝发生剧烈的变化，约有30%~40%的质量热解逸走，600度以前释放 速率较大，预氧丝中结合的氧以CO、CO 2和H 2 O的形式逸走，同时释放大量的HCN 和NH 3约占70%。另外30%在高温段挥发出去，主要是HCN和N 2 ，是小的碳环缩聚成 大的产物。主要控制要点有温度梯度、碳化时间、气体流动、碳化牵伸。炉内保持微正压。 高温碳化炉最高温度1800℃，两端进出口氮气密封，炉内保持微正压。六个温区，加热元件为石墨马弗管。炉口两端非接触迷宫密封装置，氮气（纯度99.9998%）不直进直出要走迷宫，入口处设置氮气预热器，出口段设置氮气冷却、冷却水系统。冷却水由3台冷却水泵提供，两台电动一开一备自动切换，一台柴油泵紧急情况使用。排放的废气主要有含氧小分子、HCN及焦油、N 2 进入DFTO焚烧处理。后处理阳极电解氧化法，该方法的特点是处理时间短。碳纤维作为阳极，阴极为铂板，电解质为硫酸溶液。在直流电场作用下对纤维表面进行处理，适当增大纤维表面极性和粗糙度从而达到改善复合材料界面性能的目的，经过表面处理后极性官能团增加。工艺控制要点:电解液浓度，电流大小。水洗水与纤维运行方向相反，以达到去除纤维表面电解液的目的。然后一干，上浆处理，提高碳纤维与基体树脂的结合力。在纤维表面形成坚韧薄膜，提高纤维的耐磨性，浆剂深入纤维内部使单丝胶合在一起，加大抱合力防止发散。 收丝卷绕最后一道工序也是成品质量把关的一道工序，主要防止毛丝、毛团卷入及时下轴，外观不齐及时发现处理，丝束宽窄不一加捻情况进行调节，成品端面毛丝清理等。