材料化學(xué)關(guān)于碳纖維的合成

姓名：葛增如材化1211204020134碳纖維的分類(lèi)制造及表面處理走進(jìn)碳纖維定義：由有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料在惰性氣氛中經(jīng)高溫（1500℃）炭化而成的纖維狀化合物，其碳含量在90%以上。分類(lèi)：碳纖維根據(jù)原料及生產(chǎn)方式的不同，主要分為聚丙烯晴（PAN）基碳纖維及瀝青基碳纖維。碳纖維產(chǎn)品包括PAN基碳纖維（高強(qiáng)度型）及瀝青基碳纖維（高韌性型），是一種強(qiáng)度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫、又能像銅那樣導(dǎo)電，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型復(fù)合材料。碳纖維的制造方法：氣相法：在惰性氣體中將小分子有機(jī)物（如芳香烴或烴）在高溫下沉淀成纖維。此法用于制造晶須或短纖維，不能用于制造長(zhǎng)纖維。有機(jī)纖維炭化法：將有機(jī)纖維經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理變成耐火焰纖維，然后再在惰性氣分中于高溫下進(jìn)行焙燒炭化，使有機(jī)纖維失去部分炭和其他非碳原子，形成以炭為主要成分的纖維狀物。此法用于制造制造連續(xù)長(zhǎng)纖維。以聚丙烯晴（PAN）為原料制造的碳纖維

PAN原絲制備碳纖維的過(guò)程：PAN原絲→預(yù)氧化→碳化→石墨化→表面處理→卷取→碳纖維。一、原絲制備，聚丙烯腈和粘膠原絲主要采用濕法紡絲制得，瀝青和酚醛原絲則采用熔體紡絲制得。制備高性能聚丙烯腈基碳纖維需采用高純度、高強(qiáng)度和質(zhì)量均勻的聚丙烯腈原絲，制備原絲用的共聚單體為衣康酸等。制備各向異性的高性能瀝青基碳纖維需先將瀝青預(yù)處理成中間相、預(yù)中間相（苯可溶各向異性瀝青）和潛在中間相（喹啉可溶各向異性瀝青）等。作為燒蝕材料用的粘膠基碳纖維，其原絲要求不含堿金屬離子。

二、預(yù)氧化：200℃~300℃的氧化氣氛中，原絲受張力情況下進(jìn)行預(yù)氧化處理的原因：PAN的的Tg低于100℃，分解前會(huì)軟化熔融，不能直接在惰性氣體中進(jìn)行炭化。先在空氣中進(jìn)行預(yù)氧化處理，使PAN的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的梯形六元環(huán)結(jié)構(gòu)，就不易融化。另外，當(dāng)加熱足夠長(zhǎng)的時(shí)間，將產(chǎn)生纖維吸氧作用，形成PAN纖維分子間的化學(xué)鍵合。二、炭化：在400℃~1900℃的惰性氣氛中進(jìn)行，碳纖維生成的主要階段。除去大量的氮、氫、氧等非碳元素，改變了原PAN纖維的結(jié)構(gòu)，形成了碳纖維。炭化收率40%~50%，汗炭量95%左右。

三、石墨化：在2500~3000的溫度下，密封裝置，施加壓力，保護(hù)氣體中進(jìn)行。目的是使纖維中的結(jié)晶炭想石墨晶體取向，使之與纖維軸方向的夾角進(jìn)一步減小以提高碳纖維的彈性模型。四、碳纖維的表面處理處理目的：提高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中碳纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度。途徑：清除表面雜質(zhì)；在纖維表面形成微孔或刻蝕溝槽，從類(lèi)石墨層面改性成炭狀結(jié)構(gòu)以增加表面能；引進(jìn)具有極性或反應(yīng)性官能團(tuán)；形成能與樹(shù)脂起作用的中間層。處理方法：1、表面清潔法2、氣相氧化法3、液相氧化法4、表面涂層法液相氧化法與氣相氧化法比較：液相氧化的效果比氣相氧化法好，條件適當(dāng)時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度可增加1倍以上，而纖維的強(qiáng)度僅略有下降。原因：液相時(shí)只氧化纖維表面，而氣相氧化劑可能滲透較深，尤其在表面有微裂紋和缺陷處。但液相氧化多為間歇操作，處理時(shí)間長(zhǎng)，操作繁雜，難以和碳纖維生產(chǎn)線直接連接。六、上漿處理，防止纖維損傷，提高與樹(shù)脂母體的親和性。所得纖維具有各種不同的斷面結(jié)構(gòu)。技術(shù)要點(diǎn)：要想得到質(zhì)量好碳纖維，需要注意一下技術(shù)要點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)原絲高純化、高強(qiáng)化、致密化以及表面光潔無(wú)暇是制備高性能碳纖維的首要任務(wù)。碳纖維系統(tǒng)工程需從原絲的聚合單體開(kāi)始。原絲質(zhì)量既決定了碳纖維的性質(zhì)，又制約其生產(chǎn)成本。優(yōu)質(zhì)PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件。（2）雜質(zhì)缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強(qiáng)度的根本措施，也是科技工作者研究的熱門(mén)課題。在某種意義上說(shuō)，提高強(qiáng)度的過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是減少、減小缺陷的過(guò)程。

（3）在預(yù)氧化過(guò)程中，保證均質(zhì)化的前提下，盡可能縮短預(yù)氧化時(shí)間。這是降低生產(chǎn)成本的方向性課題。（4）研究高溫技術(shù)和高溫設(shè)備以及相關(guān)的重要構(gòu)件。高溫炭化溫度一般在1300℃到1800℃，石墨化一般在2500攝氏度到3000℃。在如此高的溫度下操作，既要連續(xù)運(yùn)行、又要提高設(shè)備的使用壽命，所以研究新一代高溫技術(shù)和高溫設(shè)備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護(hù)、無(wú)氧狀態(tài)下進(jìn)行的微波、等離子和感應(yīng)加熱等技術(shù)。碳纖維的應(yīng)用：碳纖維是發(fā)展國(guó)防軍工與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資，

碳纖維單絲拉伸曲線屬于技術(shù)密集型的關(guān)鍵材料，隨著從短纖碳纖維到長(zhǎng)纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸普及。在當(dāng)今世界高速工業(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化。中國(guó)已經(jīng)有使用長(zhǎng)纖作為高性能纖維的一種，在要求高溫，物理穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料具備不可替代的優(yōu)勢(shì)。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，正是由于兼具優(yōu)異性能，碳纖維在國(guó)防和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。碳纖維碳材料已在軍事及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。從航天、航空、汽車(chē)、電子、機(jī)械、化工、輕紡等民用工業(yè)到運(yùn)動(dòng)器材和休閑用品等。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可以應(yīng)用于飛機(jī)制造等軍工領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電葉片等工業(yè)領(lǐng)域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人、汽車(chē)板簧和驅(qū)動(dòng)軸等。球棒等體育領(lǐng)域。碳纖維是典型的高科技領(lǐng)域中的新型工業(yè)材土木建筑領(lǐng)域土木建筑領(lǐng)域：碳纖維也應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑物、鐵路公路橋梁、隧道、煙囪、塔結(jié)構(gòu)等的加固補(bǔ)強(qiáng)，在鐵路建筑中，大型的頂部系統(tǒng)和隔音墻在未來(lái)會(huì)有很好的應(yīng)用，這些也將是碳纖維很有前景的應(yīng)用方面。具有密度小，強(qiáng)度高，耐久性好，抗腐蝕能力強(qiáng)，可耐酸、堿等化學(xué)品腐蝕，柔韌性佳，應(yīng)變能力強(qiáng)的特點(diǎn)。用碳纖維管制作的桁梁構(gòu)架屋頂，比鋼材輕50%左右，使大型結(jié)構(gòu)物達(dá)到了實(shí)用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外，碳纖維做補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，不需要增加螺栓和鉚釘固定，對(duì)原混凝土結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小，施工工藝簡(jiǎn)便航空航天領(lǐng)域碳纖維是火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰(zhàn)略基礎(chǔ)材料。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)略導(dǎo)彈的彈體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上，可大大減輕重量，提高導(dǎo)彈的射程和突擊能力，如美國(guó)80年代研制的洲際導(dǎo)彈三級(jí)殼體全都采用碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料在新一代戰(zhàn)斗機(jī)上也開(kāi)始得到大量使用，如美國(guó)第四代戰(zhàn)斗機(jī)F22采用了約為24%的碳纖維復(fù)合材料，從而使該戰(zhàn)斗機(jī)具有超高音速巡航、超視距作戰(zhàn)、高機(jī)動(dòng)性和隱身等特性。美國(guó)波音推出新一代高速寬體客機(jī)的音速巡洋艦，約60%的結(jié)構(gòu)部件都將采用強(qiáng)化碳纖維塑料復(fù)合材料制成，其中包括機(jī)翼。中國(guó)自行研制的碳纖維復(fù)合材料剎車(chē)預(yù)制件性能達(dá)到國(guó)際水平。采用這一預(yù)制件技術(shù)所制備的的國(guó)產(chǎn)碳和碳剎車(chē)盤(pán)已批量裝備于國(guó)防重點(diǎn)型號(hào)的軍用飛機(jī)，并在B757型民航飛機(jī)上使用，在其它機(jī)型上的使用也在實(shí)驗(yàn)考核中，并將向坦克、高速列車(chē)、高級(jí)轎車(chē)、賽車(chē)等推廣使用。碳纖維比鋁輕但強(qiáng)度相似。碳纖維在艦艇上也有重要的應(yīng)用價(jià)值，可減輕艦艇的結(jié)構(gòu)重量，增加艦艇有效載荷，從而提高運(yùn)送作戰(zhàn)物資的能力，碳纖維不存在腐蝕生銹的問(wèn)題。[11]由于使用碳纖維材料可以大幅降低結(jié)構(gòu)重量，因而可顯著提高燃料效率。采用碳纖維與塑料制成的復(fù)合材料制造的飛機(jī)以及衛(wèi)星、火箭等宇宙飛行器，噪音小，而且因質(zhì)量小而動(dòng)力消耗少，可節(jié)約大量燃料。據(jù)報(bào)道，航天飛行器的質(zhì)量每減少1kg，就可使運(yùn)載火箭減輕500千克。汽車(chē)材料碳纖維材料也成為汽車(chē)制造商青睞的材料，

在汽車(chē)內(nèi)外裝飾中開(kāi)始大量采用。碳纖維作為汽車(chē)材料，最大的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，重量?jī)H相當(dāng)于鋼材的20%到30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。所以汽車(chē)碳纖維材料可以使汽車(chē)的輕量化制造采用，取得突破性進(jìn)展，并帶來(lái)節(jié)省能源的社會(huì)效益。業(yè)界認(rèn)為，碳纖維在汽車(chē)制造領(lǐng)域的使用量會(huì)變大[35]。中科院研發(fā)的一輛碳纖維小汽車(chē)主要在外殼上：在普通材質(zhì)的汽車(chē)引擎蓋上，榔頭用力敲擊，漆蓋上很有可能會(huì)有凹陷，而這輛車(chē)的車(chē)殼卻非常堅(jiān)固，用力敲擊車(chē)蓋后會(huì)迅猛反彈，表面絲毫未損。研究人員表示采用碳纖維復(fù)合材料做的汽車(chē)，比起普通用鋼材制造的汽車(chē)的最大特點(diǎn)是輕和快。碳纖維汽車(chē)拋棄了傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)，大量采用碳纖維材料制成，比普通鋼材的汽車(chē)重量能減少60%。在同樣用油情況下，這輛車(chē)每小時(shí)可以多開(kāi)50公里[36]。碳纖維雖然輕，但有較好的安全性，雖然碳纖維的看起來(lái)像塑料，但實(shí)際上這種材料抗沖擊性比鋼鐵強(qiáng)，特別是用碳纖維做成的方向盤(pán)，機(jī)械強(qiáng)度和抗沖性更高。在復(fù)合材料的配合下，碳纖維汽車(chē)成了家用車(chē)中的裝甲車(chē)。這種碳纖維材料已經(jīng)在高速列車(chē)的裙擺上應(yīng)用體育用品：碳纖維在運(yùn)用在運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域中，像球桿、釣魚(yú)竿、網(wǎng)球拍羽毛球拍、自行車(chē)、滑雪杖、滑雪板、帆板桅桿、航海船體等運(yùn)動(dòng)用品都是碳纖維的主要用戶之一。碳纖維運(yùn)用在日常用品，像音響、浴霸、取暖器等家用電器以及手機(jī)、筆記