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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划可以碳化成碳纤维的材料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
2、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
3、石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维做原料，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，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
4、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：再在惰性气氛加热至XX-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，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
5、球拍杆由碳纤维制成。【碳纤维】carbonfibre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、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型
6、和高模型。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。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。碳纤维由聚丙烯腈纤维、沥青纤维或粘胶维等经氧化、炭化等过程制得的含碳量为90%以上的纤维。碳纤维目前在替代采暖材料核
7、心发热体上也有新的贡献，国外，在很多节能采暖设备的核心发热体上已经由以前普遍采用的金属材料逐步升级到碳纤维材料，碳纤维材料在采暖方面的应用主要考虑利用了材料的耐腐蚀，抗氧化，高稳定性，寿命更长，热转换率高等特点。由于我国在碳纤维材料生产研发方面相对还处在落后的境况，高质量的碳纤维材料还是依靠日韩进口，所以价格居高不下，但随着国内合资、合作形式的出现，以碳纤维为核心技术的产品却已经走入了寻常消费者的家中。碳纤维产品在采暖方面的应用分了不少形式，比如短纤，短切纤维通常用在如“碳晶”“地暖膜”等采暖产品上，石墨类产品在早起的采暖膜中应用比较广泛，膜类产品除了在采暖上有所应用，在热水器，工业设备恒温环
8、境保障方面应用也是十分广泛。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、汽车、体育器材、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。碳纤维也广泛应用于军用和民用领域，比如，碳纤维发热产品，碳纤维采暖产品，碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭。此外，国家的电网电缆也应用到碳纤维材料。碳纤维材料发展、制备与应用简介摘要碳纤维材料具有碳石墨材料固有的本征特性又兼备纺织纤
9、维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维制备过程中最重要的工序是碳纤维原丝制备、预氧化、预氧丝碳化、表面改性处理。其中碳纤维原丝制备是碳纤维材料生产的瓶颈，因为原丝中的皮芯层结构会被最后的碳纤维产品所继承，最终影响到碳纤维的质量。碳纤维与各种基体经复合工艺可制得性能优异的复合材料，已广泛应用于航空航天等尖端领域，成为了当今新材料领域中的佼佼者。关键词：碳纤维、碳纤维原丝、预氧化、碳化、表面改性处理、皮芯结构。引言碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。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,其中的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维用途最广、用量最大、发展最为迅速.在碳纤维
10、生产中占有绝对优势。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。1969年世界碳纤维的年产量为100吨。1985年增长到4700吨，XX年XX0吨。目前，日本是碳纤维的最大制造国，美国是碳纤维的最大应用国。我国20世纪70年代开始就可以生产碳纤维但从总量来讲，发展缓慢、品种少、性能一般、产量低。高性能碳纤维是制造先进复合材料最重要的增强材料,是发展国防军工与国民经济的重要战略物资,在当今世界高速工业化的大背景下,碳纤维用途正趋向多样化、核心化。PAN基碳纤维因其具有的高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点,在与其他纤维的竞争中发展壮大。PAN基碳纤维的加工制造涵盖了高分子
11、材料学、碳素学、表面处理学、热传导学等专业技术学科，是一项高技术加工领域，并且是一项多学科交叉、多技术集成的系统工程。碳纤维除了在航空航天领域、国防军事领域还有体育休闲用品领域有着广泛的用途之外,还在汽车构件、风力发电叶片、建筑加固材料、增强塑料、钻井平台等的制造方面也发挥着巨大的作用。1碳纤维的分类按先驱体纤维原料类型分类：聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和气相生长碳纤维；按碳纤维制造方法来分分为：碳纤维、石墨纤维、活性炭纤维和气相生长碳纤维；按力学性能分类：通用级碳纤维、高性能碳纤维(HP)；按应用领域分：商品级碳纤维和宇航级碳纤维，商品级是大丝束，一丝束的单丝数在24K以上，
12、宇航级碳纤维是小丝束；按功能分可分为：耐火碳纤维、受力结构碳纤维、活性碳纤维、导电用碳纤维等1。2碳纤维的结构结构单元碳纤维不是完美的石墨结晶构造，而是具有一定起伏的带状结构，称为乱层石墨结构，如下图所示。最基本的单元是石墨层片，由数张或数十张石墨层片组成二级单元石墨微晶。石墨微晶组成许多直径在50nm左右，弯曲，彼此交叉的带状的结构称为石墨条带是三级结构。图2-1乱层石墨结构皮芯层结构Bennett和Johnson提出了碳纤维的皮芯层结构模型。该模型认为：碳纤维是由皮层、中间过渡区、芯层组成。在皮层中的石墨微晶不仅排列致密，而且沿轴向取向排列，且缺陷较少；在芯部，弯曲、扭结和缠绕的石墨条带不
13、仅排列紊乱，而且存在许多孔隙。在碳纤维生产工序的碳化过程中，交联密度高的皮芯在碳化过程中缩合，而在芯部交联密度低以及少量未预氧化部分可能发生降解反应，生成非结晶的硬碳，且因大量降解气体的释放而残留下孔隙，使芯部松散无序。在皮与芯部之间的过渡层结构介于两者之间。所以，碳纤维的径向结构是由致密有序的表层逐步过渡到松散无序的芯部，是非均相结构。这种非均相结构必然导致碳纤维拉伸强度的下降2。3碳纤维的性能力学性能碳纤维是一种力学性能优异的新材料，抗拉强度以上，抗拉弹性模量E也很大。由于密度很小，仅为/cm3，所以具有较高的比强度/和很高的比模量E/。碳纤维的模量随碳化过程处理温度的提高而增大。经250
14、0高温处理后的碳纤维成为高模量碳纤维或者石墨纤维。这种碳纤维模量最大、强度较低、断裂伸长率较小、密度最大。碳纤维的强度随处理温度升高而增大，在13001700范围内，强度出现最大值，如果超过1700，强度反而会下降。在13001700范围内处理的碳纤维称为高强度碳纤维，其弹性模量次于石墨纤维，但强度、断裂伸长率比石墨纤维大，密度比石墨纤维小。碳纤维的脆性很大，抗冲击性差。碳纤维的拉伸破坏方式属于脆性破坏。物理性能碳纤维耐高低温性能好。在惰性气体环境下，加热到XX仍具有强度；在液氮条件下也不脆断。碳纤维热导率具有方向性，在轴的方向上的热导率比在垂直于轴方向上的热导率要大很多接近于钢，因此可用它作
15、为太阳能集热器材料。碳纤维的线膨胀系数也存在方向性，室温下沿着轴线的方向其线膨胀系数为负值由它制成的复合材料膨胀系数自然也很稳定，因为这个优点可用该种复合材料来制作标准量具。碳纤维沿纤维方向还具有良好的导电性能。此外碳纤维还具有磁性能。化学性能在空气中，碳纤维在200290就会被氧化，当温度到达400以上时，会出现明显的氧化，有CO、CO2从其表面逸出。碳纤维能被强氧化剂氧化，其表面碳会被氧化成含氧基团，界面黏结性能也会因此而提高。但一般的酸、碱对它的作用小，所以碳纤维的耐腐蚀性能好。4碳纤维的制备世界上碳纤维的生产有粘胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维等三大加工方法。其中，聚丙烯腈基碳纤维及其加工路线具有技术成熟、产品性能好等优势，在碳纤维加工中处于主导地位。所以本文以聚丙烯腈基碳纤维为例，简单的介绍一下碳纤维的制备。丙烯腈及聚丙烯腈烃分子中的氢原子被氰基取代所得的化合物称为腈。氰基为官能团，该基团是一个强极化基团，吸引电子的能力很强。丙烯腈分子式C?2=?。与氰基相连的那个碳上面的氢原子叫做-氢原子。聚丙烯腈就是在丙烯腈发生聚合反应后的产物。聚丙烯腈高聚物的分子具有链状结构。由于氰基具有很强的吸引电子的能力，使其分子产生了强的偶极力。氰基的氮原子能与相邻分子链上的-氢原子形成氢键。如下图所示。图4-1PAN大分子结构式工艺流程碳纤维最主要的环节包括：原
