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介紹

由(you)碳(tan)(tan)元素(su)組成(cheng)的(de)一種特種纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)。具(ju)有(you)耐(nai)高(gao)溫、抗摩擦(ca)、導電、導熱(re)及耐(nai)腐蝕等特性(xing)外形呈(cheng)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)狀、柔(rou)軟、可加工(gong)成(cheng)各(ge)種織(zhi)物，由(you)于其石墨微晶(jing)結構沿纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)軸(zhou)擇(ze)優取向(xiang)，因此沿纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)軸(zhou)方(fang)向(xiang)有(you)很(hen)高(gao)的(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)和模量。碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)的(de)密(mi)度(du)(du)小，因此比強(qiang)(qiang)度(du)(du)和比模量高(gao)。碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)的(de)主(zhu)要用途是作為增(zeng)強(qiang)(qiang)材(cai)料(liao)與樹(shu)脂、金屬、陶(tao)瓷及炭等復(fu)合，制造先進復(fu)合材(cai)料(liao)。碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)(xian)(xian)維(wei)(wei)增(zeng)強(qiang)(qiang)環氧樹(shu)脂復(fu)合材(cai)料(liao)，其比強(qiang)(qiang)度(du)(du)及比模量在(zai)現有(you)工(gong)程材(cai)料(liao)中(zhong)是最高(gao)的(de)。

簡史

1879年愛迪生(sheng)曾用(yong)纖(xian)維素纖(xian)維，如竹、亞麻(ma)或(huo)棉紗為原(yuan)料，首先(xian)制(zhi)得(de)(de)碳纖(xian)維并獲(huo)得(de)(de)專利(li)，但當時制(zhi)得(de)(de)的纖(xian)維力學性能(neng)很低，工(gong)藝也(ye)不能(neng)工(gong)業化，未(wei)能(neng)獲(huo)得(de)(de)發展。

20世紀50年代(dai)初，由于火箭、航(hang)天及(ji)航(hang)空(kong)等尖端(duan)技術(shu)的(de)發展(zhan)，迫切需要比強(qiang)度、比模(mo)量高(gao)和耐高(gao)溫的(de)新型(xing)材料(liao)，另(ling)一方面(mian)，采(cai)用(yong)前驅纖維為原(yuan)料(liao)經熱處理的(de)工藝可(ke)制(zhi)得碳(tan)纖維連續長絲(si)，這一工藝奠定了(le)碳(tan)纖維工業(ye)化的(de)基礎。40多年來(lai)，碳(tan)纖維經歷的(de)重(zhong)大技術(shu)進展(zhan)如下：

20世紀(ji)50年(nian)(nian)代初(chu)，美(mei)國Wright-Patterson空(kong)軍基地以黏(nian)膠纖維為(wei)原料，試制碳(tan)(tan)纖維成功(gong)，產品作火箭噴管(guan)和鼻錐的燒(shao)蝕材料，效果(guo)很(hen)好。1956年(nian)(nian)美(mei)國聯合(he)碳(tan)(tan)化物公司(si)試制高模量(liang)黏(nian)膠基碳(tan)(tan)纖維成功(gong)，商(shang)品名“Thornel—25”投放市場，同時開發了應力石墨化的技術，提高碳(tan)(tan)纖維的強度(du)與模量(liang)。

20世紀60年(nian)代初，日本(ben)進藤昭男發明(ming)了(le)(le)以聚丙(bing)烯(xi)腈(PAN)纖(xian)(xian)維(wei)為原料制(zhi)取(qu)碳(tan)(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)的(de)方法，并取(qu)得了(le)(le)專(zhuan)利(li)。1963年(nian)日本(ben)碳(tan)(tan)(tan)公(gong)司(si)(si)(si)及東(dong)海電極公(gong)司(si)(si)(si)用進藤的(de)專(zhuan)利(li)開發聚丙(bing)烯(xi)腈基(ji)碳(tan)(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)。1965年(nian)日本(ben)碳(tan)(tan)(tan)公(gong)司(si)(si)(si)工業化生產普通型聚丙(bing)烯(xi)腈基(ji)碳(tan)(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)成(cheng)功(gong)。1964年(nian)英國皇(huang)家航空研(yan)究中心(RAE)通過在預(yu)氧(yang)化時加張力試制(zhi)出高(gao)性能聚丙(bing)烯(xi)腈基(ji)碳(tan)(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)。由Courtaulds公(gong)司(si)(si)(si)，Hercules公(gong)司(si)(si)(si)和Rolls—Royce公(gong)司(si)(si)(si)采用RAE的(de)技(ji)術進行工業化生產。

1965年(nian)日本(ben)大(da)谷杉郎(lang)首(shou)先(xian)制成了(le)聚氯乙烯(xi)瀝青基碳(tan)纖(xian)維，并發表了(le)先(xian)驅(qu)性的瀝青基碳(tan)纖(xian)維的研(yan)究報告。

1969年日(ri)(ri)本碳公(gong)(gong)司(si)開(kai)發高性能(neng)(neng)聚(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)碳纖(xian)維(wei)(wei)獲得(de)成功。1970年日(ri)(ri)本東麗(li)(Toray Textile Inc.)公(gong)(gong)司(si)依靠先進的聚(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)原絲技(ji)(ji)術，并(bing)與美(mei)國(guo)聯合碳化物公(gong)(gong)司(si)交換碳化技(ji)(ji)術，開(kai)發高性能(neng)(neng)聚(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)碳纖(xian)維(wei)(wei)。1971年東麗(li)公(gong)(gong)司(si)將(jiang)高性能(neng)(neng)聚(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)碳纖(xian)維(wei)(wei)產(chan)品(pin)(Torayca)投放市(shi)場(chang)。隨后(hou)產(chan)品(pin)的性能(neng)(neng)、品(pin)種(zhong)、產(chan)量不斷發展，至今仍處于(yu)世(shi)界領先地位。此后(hou)，日(ri)(ri)本東邦、旭(xu)化成、三菱人造絲及住(zhu)友(you)公(gong)(gong)司(si)等相(xiang)繼投入聚(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)碳纖(xian)維(wei)(wei)的生(sheng)產(chan)行列。(見聚(ju)丙(bing)(bing)烯(xi)腈(jing)基(ji)碳纖(xian)維(wei)(wei))

1970年(nian)(nian)日本吳羽化(hua)學(xue)工(gong)業公(gong)司(si)采用大谷杉郎的(de)(de)專(zhuan)利，首先建成(cheng)年(nian)(nian)產(chan)(chan)(chan)120t普通型(GPCF)瀝青(qing)基(ji)碳纖維(wei)的(de)(de)生產(chan)(chan)(chan)廠，1978年(nian)(nian)產(chan)(chan)(chan)量(liang)增(zeng)到(dao)240t。該產(chan)(chan)(chan)品被(bei)用作水(shui)泥增(zeng)強(qiang)材(cai)料后，發現效果很好(hao)，1984年(nian)(nian)產(chan)(chan)(chan)量(liang)增(zeng)至(zhi)400t，1986年(nian)(nian)再次增(zeng)加到(dao)900t。1976年(nian)(nian)美國聯合碳化(hua)物(wu)公(gong)司(si)生產(chan)(chan)(chan)高(gao)性能(neng)中間(jian)相(xiang)瀝青(qing)基(ji)碳纖維(wei)(HPCF)成(cheng)功，年(nian)(nian)產(chan)(chan)(chan)量(liang)為113t，1982年(nian)(nian)增(zeng)至(zhi)230t，1985年(nian)(nian)增(zeng)至(zhi)311t。

1982年起，日(ri)本(ben)東麗、東邦(bang)、日(ri)本(ben)碳公司、美(mei)國(guo)(guo)Hercules、Celanese公司、英國(guo)(guo)Courtaulds公司等(deng)，先后生產(chan)出高(gao)強(qiang)、超高(gao)強(qiang)、高(gao)模(mo)(mo)量(liang)(liang)、超高(gao)模(mo)(mo)量(liang)(liang)、高(gao)強(qiang)中模(mo)(mo)以及高(gao)強(qiang)高(gao)模(mo)(mo)等(deng)類型高(gao)性能產(chan)品，碳纖維(wei)(wei)拉(la)伸強(qiang)度從3.5GPa提(ti)高(gao)到5.5GPa，小規模(mo)(mo)產(chan)品達7.0GPa。模(mo)(mo)量(liang)(liang)從230GPa提(ti)高(gao)到600 GPa，這(zhe)是碳纖維(wei)(wei)工藝技術的(de)重(zhong)大突破(po)，使(shi)應用開發進入(ru)一個(ge)新的(de)高(gao)水平階段。

1981年(nian)起(qi)瀝青(qing)科學(xue)取(qu)得重大(da)(da)(da)進展，開發出幾種調制中(zhong)間(jian)(jian)相瀝青(qing)的(de)新工藝，如日(ri)(ri)本九州工業試驗(yan)所的(de)預中(zhong)間(jian)(jian)相法，美(mei)國EXXON公(gong)司(si)的(de)新中(zhong)間(jian)(jian)相法，日(ri)(ri)本群馬大(da)(da)(da)學(xue)開發的(de)潛在中(zhong)間(jian)(jian)相法，促(cu)進了高(gao)(gao)性能瀝青(qing)基碳(tan)纖(xian)維的(de)開發。隨后(hou)日(ri)(ri)本三菱化成(cheng)化學(xue)公(gong)司(si)、大(da)(da)(da)阪煤(mei)氣公(gong)司(si)、新日(ri)(ri)鐵(tie)公(gong)司(si)陸(lu)續建成(cheng)一(yi)批不(bu)同規格的(de)高(gao)(gao)性能碳(tan)纖(xian)維生(sheng)產廠。其特(te)點是模量增高(gao)(gao)的(de)同時也增高(gao)(gao)強(qiang)度。20世紀(ji)80年(nian)代是瀝青(qing)基碳(tan)纖(xian)維的(de)興旺發展時期。

黏(nian)膠基碳(tan)纖維自20世(shi)紀60年(nian)代中期以后沒有發展(zhan)，僅生(sheng)產少(shao)量產品供軍工(gong)及特種部(bu)門使用。

工藝

現代碳(tan)纖維工業化(hua)的路(lu)線(xian)是前驅纖維炭化(hua)工藝(yi)法，所用(yong)3種(zhong)原料纖維的組成、碳(tan)含(han)量(liang)等見表。

制造(zao)碳纖(xian)(xian)維(wei)用的原纖(xian)(xian)維(wei)名稱(cheng)化學組分碳含量/%碳纖(xian)(xian)維(wei)收率/%黏(nian)膠纖(xian)(xian)維(wei)(C6H10O5)n4521～35聚(ju)丙烯腈纖(xian)(xian)維(wei)(C3H3N)n6840～55瀝青(qing)纖(xian)(xian)維(wei)C，H9580～90

采用(yong)(yong)這3種原纖(xian)維制(zhi)造炭(tan)纖(xian)維的流程都包括：穩定化處理(在200～400℃空氣(qi)，或用(yong)(yong)耐燃(ran)試劑等化學處理)，碳化(400～1400℃，氮氣(qi))和石墨化(1800℃以上，氬氣(qi)氣(qi)氛(fen)下)。為了提(ti)高炭(tan)纖(xian)維與復合(he)材料基(ji)質(zhi)的粘(zhan)接性(xing)能需進行表(biao)面處理、上漿(jiang)、干(gan)燥等工序。

另一種制造碳(tan)纖維的(de)方法(fa)是(shi)氣相生長法(fa)。將(jiang)甲烷(wan)與氫的(de)混合(he)氣體(ti)在催化(hua)劑(ji)的(de)存在下(xia)，于1000℃高溫下(xia)反應，可制得(de)不(bu)連續(xu)的(de)短切(qie)碳(tan)纖維，最大長度(du)可達(da)50cm。其結(jie)構不(bu)同于聚丙烯腈(jing)基(ji)或(huo)瀝(li)青(qing)基(ji)碳(tan)纖維，易石墨化(hua)，力(li)學性能(neng)良好，導電性高，易形成層間化(hua)合(he)物。(見氣相生長炭纖維)

分類及命名

現在碳(tan)(tan)纖(xian)維的主(zhu)要(yao)產品(pin)(pin)有聚丙烯腈(jing)基(ji)(ji)，瀝青基(ji)(ji)及黏膠基(ji)(ji)3大(da)類，每一類產品(pin)(pin)又因原纖(xian)維種(zhong)類、工藝及最終碳(tan)(tan)纖(xian)維性能等不同，又分(fen)成許多品(pin)(pin)種(zhong)。“碳(tan)(tan)纖(xian)維”一詞實際上是多種(zhong)碳(tan)(tan)纖(xian)維的總稱，因此分(fen)類及命名就十分(fen)重要(yao)。

20世紀70年代末期(qi)，國際理(li)論與應(ying)用(yong)化(hua)(hua)學(xue)聯(lian)合會(IUPAC)曾對(dui)炭纖(xian)維的(de)分類(lei)和命名作了規(gui)定。首(shou)先用(yong)PAN(聚(ju)(ju)丙烯腈)，MP(中(zhong)間相瀝青)及(ji)VS(黏膠)表(biao)(biao)示(shi)(shi)(shi)碳(tan)纖(xian)維的(de)類(lei)別，再(zai)(zai)以(yi)小寫英文(wen)字母表(biao)(biao)示(shi)(shi)(shi)熱處理(li)溫(wen)度(du)如(ru)(ru)lht(表(biao)(biao)示(shi)(shi)(shi)熱處理(li)溫(wen)度(du)，低于1400℃)，hht(熱處理(li)溫(wen)度(du)在(zai)2000℃以(yi)上(shang))，然(ran)后(hou)再(zai)(zai)加上(shang)表(biao)(biao)示(shi)(shi)(shi)性(xing)能(neng)的(de)符號(如(ru)(ru)HT表(biao)(biao)示(shi)(shi)(shi)高(gao)(gao)強(qiang)、HM高(gao)(gao)模(mo)、SHT超高(gao)(gao)強(qiang)、HTHS高(gao)(gao)強(qiang)高(gao)(gao)應(ying)變、IM中(zhong)模(mo)及(ji)UHM超高(gao)(gao)模(mo)等)。同(tong)時指出，聚(ju)(ju)丙烯腈基(ji)(ji)，黏膠基(ji)(ji)及(ji)普(pu)通型瀝青基(ji)(ji)碳(tan)纖(xian)維均屬(shu)難(nan)石(shi)墨化(hua)(hua)的(de)聚(ju)(ju)合物炭，而中(zhong)間相瀝青基(ji)(ji)炭纖(xian)維及(ji)氣相生長的(de)碳(tan)纖(xian)維是易石(shi)墨化(hua)(hua)碳(tan)。

在第三次國(guo)際(ji)碳(tan)纖維會議上(1985年，倫敦)。曾建議按力學性能將碳(tan)纖維分成下列5級。

超高模(mo)量(liang)級(UHM):　 模(mo)量(liang)在395 GPa以上；

高模(mo)量級(HM):　模(mo)量在(zai)310～395 GPa間；

中模量(liang)級(IM):　模量(liang)在255～310 GPa間；

超高強度(du)級(ji)(UHT):　 強度(du)在(zai)3.5 GPa以上(shang)

模(mo)量(liang)在255 GPa以下；

高(gao)強(qiang)度(du)(du)級(HT):　強(qiang)度(du)(du)達3.5 GPa。

這兩種分(fen)級(ji)法都(dou)有(you)不足之處(chu)。現在高(gao)性能碳(tan)纖(xian)維產品分(fen)類(lei)由制(zhi)造商(shang)自(zi)行標明(ming)：原纖(xian)維種類(lei)、單絲(si)孔(kong)數(shu)、直徑、排(pai)列方式(如平(ping)行、纏結、加(jia)捻等)，有(you)無(wu)表(biao)面處(chu)理(及其種類(lei))，有(you)無(wu)上(shang)漿(jiang)(及漿(jiang)劑種類(lei))等。一些重要的(de)高(gao)性能商(shang)品名(ming)稱及性能，可見聚丙(bing)烯腈基炭(tan)纖(xian)維和瀝(li)青基炭(tan)纖(xian)維。

發展展望

20世紀90年代(dai)初，高(gao)性(xing)(xing)能及超(chao)高(gao)性(xing)(xing)能炭纖(xian)維(wei)(wei)已(yi)問世，預料(liao)今(jin)后(hou)工(gong)(gong)作將致力于完善工(gong)(gong)藝、擴大生(sheng)(sheng)產(chan)、降低成(cheng)本和(he)(he)開(kai)發(fa)應用(yong)。一些特種碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)，如(ru)抗氧化碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(以(yi)提高(gao)復合(he)材料(liao)的(de)(de)使(shi)用(yong)溫度(du))、低纖(xian)度(du)碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(做(zuo)0.035mm超(chao)薄(bo)型預浸帶(dai)用(yong))、高(gao)導(dao)熱低電阻(zu)碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(以(yi)滿足(zu)屏蔽(bi)電磁、射(she)頻干擾用(yong)，并可散發(fa)多(duo)余(yu)的(de)(de)熱能)、低熱膨脹(zhang)系(xi)數碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(供衛星天線系(xi)統、反射(she)鏡等用(yong))，中空碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)(用(yong)于飛(fei)機(ji)制(zhi)造工(gong)(gong)業，提高(gao)復合(he)材料(liao)的(de)(de)沖擊韌性(xing)(xing)，核(he)反應堆(dui)中的(de)(de)高(gao)溫過濾(lv)介質(zhi)(zhi)，分離(li)生(sheng)(sheng)物分子血(xue)(xue)清和(he)(he)血(xue)(xue)漿用(yong)的(de)(de)介質(zhi)(zhi))和(he)(he)活(huo)性(xing)(xing)碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)，隨著科(ke)學(xue)及工(gong)(gong)程的(de)(de)發(fa)展會(hui)(hui)有(you)(you)很大發(fa)展。氣相生(sheng)(sheng)長碳(tan)纖(xian)維(wei)(wei)近期內在(zai)穩定(ding)工(gong)(gong)藝，連續化生(sheng)(sheng)產(chan)方面會(hui)(hui)有(you)(you)明顯進展，工(gong)(gong)業化生(sheng)(sheng)產(chan)的(de)(de)日期預料(liao)不會(hui)(hui)太遠(yuan)。