現(xiàn)代碳纖維工業(yè)化的路線是前驅(qū)纖維炭化工藝法

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2021-11-25

現(xiàn)代碳纖維工業(yè)化的路線是前驅(qū)纖維炭化工藝法，所用3種原料纖維的組成、碳含量等見(jiàn)表。
制造碳纖維用的原纖維名稱(chēng)化學(xué)組分碳含量/%碳纖維收率/%黏膠纖維(C6H10O5)n4521～35聚丙烯腈纖維(C3H3N)n6840～55瀝青纖維C，H9580～90
采用這3種原纖維制造炭纖維的流程都包括：穩(wěn)定化處理（在200～400℃空氣，或用耐燃試劑等化學(xué)處理），碳化（400～1400℃，氮?dú)猓┖褪?800℃以上，氬氣氣氛下）。為了提高炭纖維與復(fù)合材料基質(zhì)的粘接性能需進(jìn)行表面處理、上漿、干燥等工序。
另一種制造碳纖維的方法是氣相生長(zhǎng)法。將甲烷與氫的混合氣體在催化劑的存在下，于1000℃高溫下反應(yīng)，可制得不連續(xù)的短切碳纖維，最大長(zhǎng)度可達(dá)50cm。其結(jié)構(gòu)不同于聚丙烯腈基或?yàn)r青基碳纖維，易石墨化，力學(xué)性能良好，導(dǎo)電性高，易形成層間化合物。（見(jiàn)氣相生長(zhǎng)炭纖維）
分類(lèi)及命名
現(xiàn)在碳纖維的主要產(chǎn)品有聚丙烯腈基，瀝青基及黏膠基3大類(lèi)，每一類(lèi)產(chǎn)品又因原纖維種類(lèi)、工藝及最終碳纖維性能等不同，又分成許多品種。“碳纖維”一詞實(shí)際上是多種碳纖維的總稱(chēng)，因此分類(lèi)及命名就十分重要。
20世紀(jì)70年代末期，國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）曾對(duì)炭纖維的分類(lèi)和命名作了規(guī)定。首先用PAN（聚丙烯腈），MP（中間相瀝青）及VS（黏膠）表示碳纖維的類(lèi)別，再以小寫(xiě)英文字母表示熱處理溫度如lht（表示熱處理溫度，低于1400℃），hht（熱處理溫度在2000℃以上），然后再加上表示性能的符號(hào)（如HT表示高強(qiáng)、HM高模、SHT超高強(qiáng)、HTHS高強(qiáng)高應(yīng)變、IM中模及UHM超高模等）。同時(shí)指出，聚丙烯腈基，黏膠基及普通型瀝青基碳纖維均屬難石墨化的聚合物炭，而中間相瀝青基炭纖維及氣相生長(zhǎng)的碳纖維是易石墨化碳。
在第三次國(guó)際碳纖維會(huì)議上（1985年，倫敦），曾建議按力學(xué)性能將碳纖維分成下列5級(jí)。
超高模量級(jí)（UHM）：模量在395GPa以上；
高模量級(jí)（HM）：模量在310～395GPa間；
中模量級(jí)（IM）：模量在255～310GPa間；
超高強(qiáng)度級(jí)（UHT）：強(qiáng)度在3.5GPa以上，
模量在255GPa以下；
高強(qiáng)度級(jí)（HT）：強(qiáng)度達(dá)3.5GPa。
這兩種分級(jí)法都有不足之處。現(xiàn)在高性能碳纖維產(chǎn)品分類(lèi)由制造商自行標(biāo)明：原纖維種類(lèi)、單絲孔數(shù)、直徑、排列方式（如平行、纏結(jié)、加捻等），有無(wú)表面處理（及其種類(lèi)），有無(wú)上漿（及漿劑種類(lèi)）等。一些重要的高性能商品名稱(chēng)及性能，可見(jiàn)聚丙烯腈基炭纖維和瀝青基炭纖維。