碳纤维的性能与加工

《碳纤维的性能与加工》由会员分享，可在线阅读，更多相关《碳纤维的性能与加工（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、碳纤维的性能与加工【摘要】文章介绍了碳纤维的概念、发展与现状、分类，以及碳纤维的性能与加工方 法，还有碳纤维的应用。【关键词】碳纤维分类性能电化学改性干湿法射频法加工过程应用【正文】第一节碳纤维概述1. 碳纤维的概念碳纤维，英文为Carbon Fiber，简称CF。碳纤维是指由有机纤维经碳化及 石墨化处理而得到的微品石墨材料，是纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳 量在99%左右的石墨纤维。2 .碳纤维的结构碳纤维的分子结构介于石墨与金刚石之间。目前公认的碳纤维结构是由沿纤 维轴高度取向的二维乱层石墨组成。微品的形状、大小、取向以及排列方式与纤 维的制备工艺相关。2.1结构单元石墨：六方晶系

2、碳纤维：乱层石墨结构最基本的结构单元：石墨片层二级结构单元：石墨微品(由数张或数十张石墨片层组成)三级结构单元：石墨微品组成的原纤维。直径在50nm左右，弯曲，彼 此交叉的许多条带状组成的结构2.2皮芯层结构CF由皮层、芯层及中间过渡区组成。皮层：微品较大，排列有序。芯层：微品减小，排列紊乱，结构不均匀。3.碳纤维的缺陷3.1来源碳纤维中的缺陷主要来自两方面：原丝带来的缺陷与碳化过程带来的缺陷。 原丝带来的缺陷在碳化过程中可能消失小部分，但大部分将保留下来，变成碳纤 维的缺陷。而碳化过程带来的缺陷则在碳化过程中，大量SEC元素以气体形式逸 出，使纤维表面及内部形成空穴和缺陷。3.2 CF中缺陷

3、的观察研究手段：扫描电镜(SEM)：研究纤维表面缺陷透射电镜(TEM)：研究纤维内部结构第二节碳纤维的现状及发展1. 碳纤维的发展简史1860年，斯旺制作碳丝灯泡。1878年，斯旺以棉纱试制碳丝。1879年，爱迪生以油烟与焦油、棉纱和竹丝试制碳丝（持续照明45小时）。1882年，碳丝电灯实用化1911年，钨丝电灯实用化。1950年，美国Wright-Patterson空军基地开始研制黏胶基碳纤维。1959年，美国UCC公司生产低模量黏胶基碳纤维“ Thornel25”，日本大 阪工业试验所的进藤昭男发明了 PAN基碳纤维。1962年，日本碳公司开始生产低模量PAN基碳纤维（0.5吨/月）。19

4、63年，英国皇家航空研究所（RAE ）的瓦特和约翰逊成功地打通了制造高 性能PAN基碳纤维（在热处理时施加张力）的技术途径。1964 年，英国 C ourtaulds,Morganite 和 Roii-Roys 公司利用 RAE 技术生产 PAN基碳纤维。1965年，日本群马大学的大谷杉郎发明了沥青基碳纤维美国UCC公司开始生 产高模量黏胶基碳纤维（石墨化过程中牵伸）。1970年，日本吴羽化学公司生产沥青基碳纤维（10吨/月），日本东丽公司与 美国UCC进行技术合作。1971年，日本东丽公司工业规模生产PAN基碳纤维（1吨/月），碳纤维的牌号 为T300，石墨纤维为M40。1972年，美国He

5、rcules公司开始生产PAN基碳纤维日本用碳纤维制造钓竿，美 国用碳纤维制造高尔夫球棒。1973年，日本东邦人造丝公司开始生产PAN基碳纤维（0.5吨/月）日本东丽公 司扩产5吨/月。1974年，碳纤维钓竿、高尔夫球棒迅速发展日本东丽公司扩产13吨/月。1975年，碳纤维网球拍商品化美国UCC公司公布利用中间相沥青制造高模量沥青 基碳纤维“ThornelP”美国UCC的高性能沥青基碳纤维商品化。1976年,东邦人造丝公司与美国塞兰尼斯进行技术合作住友化学与美国赫格里 斯（Hercules）成立联合公司。1979年，日本碳公司与旭化成工业公司成立旭日碳纤维公司。1980年，美国波音公司提出需求

6、高强度、大伸长的碳纤维。1981年，台湾台塑设立碳纤研究中心，日本三菱人造丝公司与美国Hitco公司进 行技术合作。1984年，台湾台塑与美国Hitco公司进行技术合作，日本东丽公司研制成功高强 中模碳纤维T800。1986年，日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T1000o1989年，日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维M60。1992年，日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维M70J,杨氏摸量高达690GPa。2. 世界碳纤维产业现状及我国碳纤维产业发展2.1世界碳纤维产业现状国际上碳纤维的研制开发源于60年代初，到进入工业化生产，经历了大 约十年时间。碳纤维的主要生产国是日本和美国，主要消耗的国

7、家和地区则依次 为美国、日本和西欧。日本的碳纤维产量约占世界总产量的一半;但其消耗量仅 占四分之一，美国的碳纤维产量虽然只占世界总产量的40%;但其消耗量却占 世界总消耗量的一半左右。全球碳纤维生产量最大的两家公司均在日本，其中东 丽公司(Toray)于1970年投产；1989年的生产能力已达到2250吨。1975年 投产的东邦人造丝公司(TohoBeslon ) ,1988年的产量为1420吨,1990年的 产量则达到2020吨。这两家公司还在美欧等地建有多家生产厂。2.2我国碳纤维产业发展以聚丙烯腈为原丝的碳纤维已广泛应用于航空航天、体育用品及其它工业领 域。我国自上世纪60年代开始研制碳

8、纤维以来。已形成了以江苏、吉林、山东 和山西等的几块生产基地，产业化企业达10多家。近几年，我国碳纤维行业产 能有了较大增长，但实际产量仍很低，质量水平和稳定性同国外产品相比还存在 很大差距，尤其是原丝的质量和数量还无法满足碳纤维生产的要求。我国每年仍 需从国外进口大量的碳纤维。我国从上世纪60年代后期开始研制碳纤维，至今已有近40年的历史。到目 前为止，工艺路线以一步法为主，纺丝方法除湿法外，也有干湿法，见表l。工艺路线聚合方法纺理方法_ 关聚单体HNQ3 2 法溶液橐含AN/MA/IADMSO 一步法溶液庚合湿法、干湿法AN/MA/1ANaSCN 步法溶液聚合湿法AN/HA/IADWSO二

9、步法悬浮聚合湿法AN/IAt WMA/IA表1国内PAN原丝制备主要工艺路线我国碳纤维工业的今后发展，应从以下几方面做好工作：1.坚持自主创新 发展碳纤维；2.加强“产、学、研”共同开发；3.发挥传统化纤强势企业在碳 纤维国产化进程中的作用；4.借助国产腈纶技术基础实现技术多元化；5.碳纤 维开发应循序渐进；6.建立适合我国市场特点的技术和产品体系；7.重视碳纤 维深加工和碳纤维复合材料制品的开发。第三节 碳纤维的分类按照不同的标准，可以将碳纤维分为不同的种类。1. 按力学性能分类通用级CF：拉伸强度1.4GPa，拉伸模量140GPa高性能CF：高强度CF (HS)高模量CF (HM)超高强C

10、F (UHS)超高模CF (UHM)高强一高模CF中强一中模CF等2. 按原材料分类聚丙烯腈(PAN)碳纤维沥青碳纤维粘胶碳纤维等3. 按功能分类受力结构用CF耐焰用CF导电用CF润滑用CF耐磨用CF活性CF等4. 按制造条件和方法分类碳纤维：碳化温度12001500oC，碳含量95%以上石墨纤维：石墨化温度2000oC以上，碳含量99%以上活性碳纤维：气体活化法，CF在6001200oC，用水蒸汽、CO2、空气等活 化气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有机物在高温下沉积成纤维一晶须 或短纤维第四节碳纤维的性能1.碳纤维的物理性能1.1碳纤维的力学性能模量：E = E (1 -a )-1模量E

11、与取向度有关。提高张力，取向度提高，则E提高。强度:。=K(1 -a ) Vd -1强度a与温度和张力有关。温度T升高，同时提高张力(牵伸率)， 可以提高碳纤维的强度。其中：a ：纤维轴向取向度E0：材料固有的弹性模量K：碳化的反应速率常数，是温度的函数。T升高一K升高，反应速度提高。d：结品厚度应变以1.2碳纤维的热性能热导率：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，热导率入也愈大。对于PAN基碳纤维T300，热导率约为 615W/ m - k, T800 为 26W

12、/ m - k ,M40 为 85W/ m - k ；对于中间相沥青基 碳纤维P2120,热导率约是铜(398W/mk)的116倍，是铝(237W/mk)的217倍。热导率具有方向性平行于纤维方向：16.74 W/(mK)；垂直于纤维方向：0.837 W/(mK)温度升高，热导率下降。热膨胀系数：CF的热膨胀系数具有各向异性的特点：平行于纤维方向为负值；垂直于纤 维方向为正值。热辐射：碳纤维通电后电热效率的能量平衡如下：IV = H( Ts - Ta) -7 - %式中,W：电功率；TS：束丝表面温度；D：束丝直径；TA :周围环境温度; L :束丝长度；H：对流传热系数；。:斯蒂芬-玻尔兹曼

13、常数(56.7nW/m2 K4)。_ ,匕 lh= DL(Ti 在高温区，以辐射传热为主，上式可简化为：。如果环境温度TA、束丝直径D和束丝长度L为一定值时，则上式可写为：，=。辐射功率密度Wb与束丝表面温度T (Ts)成四次方关系。这就是著名的斯 蒂芬-玻耳兹曼四次方定律。辐射波长入max与温度T有以下关系，即入 max T = 2897这就是著名的维恩-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01840p m范围内的红外区；其中,90 %的热辐 射波长在21513p m范围内，电热转换效率在90 %以上，节能效果十分显著。1.3碳纤维的电性能电阻率：碳纤

14、维的电阻率Sb可用下式计算：=普 xrf X10-5其中：S b :碳纤维的体电阻率(Q - cm)Rb :试样长L的电阻(。)；L：测电阻时的试样长度(cm)t：试样的纤度(tex)p :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4列出PAN基碳纤维电阻率与K数、测试长度的关系。表5列出碳 纤维T300的K数与纤度的关系。所以，根据设计要求，可选择不同类型、不 同K数和不同长度的碳纤维作为电热源，满足不同需求。试u电阻率体电阻率F单一舞数/ K试样长度测得电阻心比率口cm11)00(1)100056.0,0000.00210100

15、0(1)500WS1 .1)060.00212250143.54.0230.0021S3000(3)1000172. 11)1.0000. 0013000(3)50087.46.0160.001照5000(3)颂44 301.0300.002026000(6)1000107.22,0000.002446000(6)50054,051 .网0.0024660。25027.48.0250.00250表4 PAN基碳纤维电阻率与K数、测试长度的关系1 K3K5Kr k6619S3%800表5碳纤维T300的纤度（g/ 1000m, tex）1.4密度在1.52.0g/cm3之间，密度与原丝结构、碳化温度有关。1.5碳