【正文】 這是一種由梯形聚合物六元環(huán)所連接起來的疊狀結(jié)構(gòu)，具有很好的拉伸強(qiáng)度。隨著熱處理溫度提高，纖維彈性模量也提高，但撿伸強(qiáng)度卻在出現(xiàn)一個(gè)最大值后逐漸下降?！?示出了隨著熱處理溫度的提高，纖維強(qiáng)度、彈性模量的變化情況。在低于1 000℃的溫度下熱裂解，纖維的強(qiáng)度和彈性模量均隨溫度的提高而提高。從圖2．3—7可知，可以根據(jù)需要來制取各種不同強(qiáng)度與彈性模量偶合的碳纖維。石墨化階段 石墨化階段的目的主要是引起纖維石墨化晶體取向，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量，因?yàn)樘祭w維的彈性模量是由石墨晶體基面相對(duì)于纖維軸的取向程度所決定的。一些碳纖維的X射線圖表明，在彈性模量為103GPa(／dtex)的纖維中，石墨晶體的基面與纖維軸的夾角在土35℃。范圍內(nèi)，而碳纖維彈性模量為412GPa(2 327cN／dtex)，其夾角為土13℃。如果在石墨化過程中對(duì)纖維施加張力，可以進(jìn)一步縮小夾角，則彈性模量可達(dá)657Gh(3 712cN／dtex)。這個(gè)數(shù)值達(dá)到石墨晶須的彈性模量(979GPa(5 529cN／dtex))的68％。石墨化處理在高溫密封裝置中進(jìn)行，采用碳管爐加熱，或用電流通過纖維自身加熱，加熱溫度一般為2 500—3 000℃，GY—70碳纖維的石墨化處理溫度達(dá)到3 000℃以上。使用密封裝置保護(hù)石墨不被氧化，密封的方法有水密封、水銀密封、保護(hù)氣體正壓密封等。其中保護(hù)氣體正壓密封設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。為了防止微量的氫氰酸逸出，可在出口處外加一電熱裝置令其分解。選用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣體很重要，氬氣應(yīng)用較廣，氦氣也可用；值得注意的是不能用氮?dú)?，因?yàn)樵? 000℃以上它可以很快與碳反應(yīng)形成氰。(2)催化法制造碳纖維上述的空氣氧氣法制造碳纖維，是通過空氣中的氧在原絲轉(zhuǎn)變?yōu)槟脱胬w維階段，促使聚丙烯腈或其高聚物中的氰基聚合或環(huán)化。而催化法促使聚丙烯腈或其共聚物中的氰基聚合或環(huán)化的催化劑不是空氣中的氧，而是外加的一些化學(xué)試劑。但兩種方法在本質(zhì)上是相同的。催化法制造的碳纖維所含的元素，與空氣氧化法碳纖維比較，除含有碳、氫氮之外，還有一定數(shù)量的氯和錫，因此相對(duì)碳含量要低一些，如 教材表2—20所示。催化法生產(chǎn)的碳纖維表面含有二氧化錫，而內(nèi)部含有金屬錫。這種纖維的特點(diǎn)，一是在制造過程中可以縮短炭化時(shí)間，二是纖維含有雜分子。所以它除能用做一般增強(qiáng)材料外，還能用做纖維狀導(dǎo)電材料。(3)氣相催化法制造碳纖維將聚丙烯腈及其共聚物與NO、NOSO3或HCl等小分子氣體化合物，在200—270℃下進(jìn)行反應(yīng)，可以得到產(chǎn)率高(可達(dá)55％一65%)、強(qiáng)度好( GPa( cN／dtex))的碳纖維，但這方面的工作還處于研究階段。2 碳纖維結(jié)構(gòu)與形態(tài)理想的石墨點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)屬于六方晶系。碳纖維的結(jié)構(gòu)決定于原絲結(jié)構(gòu)和炭化工藝。對(duì)有機(jī)纖維進(jìn)行預(yù)氧化、炭化等工藝處理，除去有機(jī)纖維中碳以外的元素，形成聚合多環(huán)芳香族平面結(jié)構(gòu)。在碳纖維形成過程中，隨著原絲的不同，質(zhì)量損失可達(dá)l0一80％，因此形成了各種微小的缺陷。但無論用哪種原料，高模量碳纖維中的碳分子平面總是沿纖維軸平行的取向。用X一射線、電子衍射和電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，真實(shí)的碳纖維結(jié)構(gòu)并不是理想的石墨點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而是屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維的亂層石墨結(jié)構(gòu)中，石墨層片仍是最基本的結(jié)構(gòu)單元，一般由數(shù)張到數(shù)十張層片組成石墨微晶，這是碳纖維的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元。層片與層片之間的距離叫面間距，由石墨微晶再組成原纖維，這是纖維的三級(jí)結(jié)構(gòu)單元(圖2．3—8(c)、(d)、(e))。最后由原纖維組成碳纖維的單絲，直徑一般為6—8181。m。3碳纖維的性能　碳纖維的高強(qiáng)度(2~7GPa)能代表當(dāng)今世界水平的是日本東麗公司生產(chǎn)的聚丙烯腈基(PAN)碳纖維,(),T1000的抗拉強(qiáng)度是T300的近2倍,~。截止目前,采用高壓氫氣條件碳弧放電所制得的石墨晶須,抗拉強(qiáng)度為21GPa,它是目前纖維強(qiáng)度最高者,而石墨晶須理論強(qiáng)度達(dá)到180GPa,%~%。根據(jù)經(jīng)典的Griffith脆性理論和脆性材料的最弱連接理論,碳纖維屬于脆性材料,影響其強(qiáng)度的主要因素有原絲的高密化和致密化程度,生產(chǎn)環(huán)境的清潔程度,生產(chǎn)工藝,纖維細(xì)纖度化程度以及細(xì)晶化程度等。因此,高強(qiáng)碳纖維應(yīng)該向細(xì)旦化,均質(zhì)化(主要是徑向結(jié)構(gòu))以及表面無瑕化(無表面缺陷)方向發(fā)展?！√祭w維的其它主要性能　密度小,質(zhì)量輕。碳纖維的密度主要取決于其碳化溫度,PAN基碳纖維在1000℃,經(jīng)2300℃以上溫度處理,~,?！∧Ａ扛?200~700GPa),剛性好,耐疲勞,具有自潤(rùn)滑性,磨擦系數(shù)小,耐磨性能好。高模量碳纖維也叫石墨纖維(GRF),含碳量一般在92%~96%之間,PAN基石墨纖維M70J的模量為理論值(1020GPa)%,最近日本三菱公司產(chǎn)的K13C20的模量達(dá)900GPa,%,石墨纖維的模量仍在不斷提高。試驗(yàn)表明,在銅中混入25%的碳纖維可使其磨擦率降低到原來的l/100,而加在塑料制品中,其磨擦率可望降低到原來的1/1000?！釋?dǎo)性好(10~160Wm1K1),不蓄熱,熱膨脹系數(shù)小(11106K1),尺寸穩(wěn)定,尤其是在惰性氣氛中的耐熱性極好。碳纖維的熱導(dǎo)率隨溫度的上升而下降,在1500℃時(shí)僅為常溫時(shí)的15%~30%。其熱膨脹系數(shù)呈各向異性,平行于纖維軸向的熱膨脹系數(shù)比垂直于纖維軸向低得多,這一缺點(diǎn)使其與環(huán)氧樹脂復(fù)合而成的復(fù)合材料易于產(chǎn)生裂紋?！?dǎo)電性能極好(5~17μΩm),呈非磁性,具有屏蔽電磁波的功能,同時(shí)對(duì)X射線的透過性好。此外,碳纖維還具有吸能減振,對(duì)振動(dòng)有優(yōu)異的衰減功能?！∧陀?耐酸,耐腐蝕性能好,與生物有很好的相容性能。除了強(qiáng)氧化劑外,一般如濃鹽酸,30%的硫酸,以及堿對(duì)其均不起作用。碳纖維的耐腐蝕性能比玻璃纖維好?！≥S向剪切模量較低,斷裂伸長(zhǎng)小,使耐沖擊性差,并且后加工較為困難。4碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其應(yīng)用CFRP的力學(xué)性能主要取決于基體(常用環(huán)氧樹脂)的力學(xué)性能,碳纖維的表面性狀以及纖維與基體鍵合界面的性質(zhì),而基體的性能及纖維的表面性狀直接關(guān)系到界面的鍵合和粘接性能,以下從兩個(gè)方面加以敘述:　基體　CFRP常用環(huán)氧樹脂作為基體,它的粘接性好,機(jī)械性能優(yōu)異,但是,通用型的環(huán)氧樹脂固化后,質(zhì)地脆硬,抗沖擊性能較差,耐熱性不好。目前,較為成熟的增韌方法是將固化前能和環(huán)氧樹脂相容的橡膠溶解在樹脂里,固化時(shí),橡膠能順利析出,呈兩相結(jié)構(gòu)。目前一般使用的都是RLP型橡膠,分子量小(1000~10000),并帶有能與環(huán)氧樹脂反應(yīng)的官能團(tuán),以便產(chǎn)生牢固的化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)。我們可以通過使環(huán)氧樹脂基體主鏈結(jié)構(gòu)含有芳香環(huán)以及增加交聯(lián)密度等方法,來提高環(huán)氧樹脂的使用溫度和熱穩(wěn)定性,同時(shí)改善其與碳纖維的粘接性能?！√祭w維的表面性狀　未經(jīng)表面處理的碳纖維表面光滑,摩擦系數(shù)小,表面呈現(xiàn)出憎液性,從而導(dǎo)致與基體的潤(rùn)濕性差,粘結(jié)力低,復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度(ILSS),界面剪切強(qiáng)度(IFSS)均較低,達(dá)不到實(shí)際要求常用的表面處理方法有氧化和涂層處理、電聚合與電沉積處理、等離子體處理等。利用電化學(xué)氧化(陽極氧化)表面處理法,反應(yīng)緩和,易于控制,處理效果好。經(jīng)過表面處理的碳纖維利用有效的掃描隧道電鏡(STM)表面分析技術(shù)發(fā)現(xiàn),其表面石墨層片邊緣較大面積氧化,邊緣活性點(diǎn)數(shù)量大量增加,致使凹凸不平的表面更有利于與基體的鍵合,復(fù)合材料的剪切性能提高。同時(shí),其表面能增加顯著改善了碳纖維與基體之間的潤(rùn)濕性,接觸角減小,表面呈現(xiàn)出親液性。另外,經(jīng)表面處理后,其表面出現(xiàn)了大量的羥基,羧基,醌類及吡喃酮類官能團(tuán),提高了碳纖維表面的極性,增強(qiáng)起與基體之間的潤(rùn)濕性和粘接程度。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)在航空航天及國防軍事領(lǐng)域已相當(dāng)廣泛。如CFRP可以用于制造人造衛(wèi)星支架,衛(wèi)星天線,航天飛機(jī)的機(jī)翼,火箭的噴火口,戰(zhàn)略導(dǎo)彈的末級(jí)助推器,機(jī)器人的外殼等。飛機(jī)要滿足質(zhì)輕,牢固,抗強(qiáng)扭曲的要求,一架波音767飛機(jī),其機(jī)身傳動(dòng)裝置艙門,起落架艙門,引擎罩,主翼,副翼頂端,后部平板等部件均由碳纖維及CFRP制成,總量超過1噸。汽車制造方面汽車的外殼,操縱桿,片狀彈簧等用CFRP制成,可使汽車的總重量減輕70%。運(yùn)動(dòng)休閑方面,釣魚竿,網(wǎng)球拍,滑雪板,賽車,跳高撐竿均由CFRP制成,性能大大增強(qiáng)。高層建筑的框架結(jié)構(gòu)利用CFRP可以起到增強(qiáng),增牢,并減輕建筑基座的負(fù)荷等作用,其它方面,如自行車的梁,劍桿織機(jī)的劍帶,承受大負(fù)荷的高架立交橋的梁,柱等均可利用CFRP制成。5　碳纖維織物的應(yīng)用　碳纖維針刺氈的應(yīng)用　研制開發(fā)一種能滿足高速急剎車的高性能剎車制動(dòng)片,所用原料是日本東麗公司生產(chǎn)的PAN基碳纖維無捻連續(xù)長(zhǎng)絲T300,其拉伸強(qiáng)度超過3400MPa,拉伸模量230GPa,%,含碳量在94%以上,纖維直徑介于6~8μm之間,支數(shù)為6K。其針刺氈制造工藝及要求如下:　短碳纖維網(wǎng)胎的制造　將長(zhǎng)碳纖維束短切成68~70mm長(zhǎng)的短碳纖維束,然后在成網(wǎng)機(jī)上鋪疊成網(wǎng),制成均勻的短碳纖維網(wǎng)胎。　整體針刺氈的制造　按照一層短碳纖維網(wǎng)胎,一層長(zhǎng)纖維無緯布的方式替層交疊,無緯布層間夾角90176。,每鋪設(shè)一層短碳纖維網(wǎng)胎針刺一遍,針刺密度≤3mm,針刺深度為10~12mm,達(dá)到整體針刺氈的各層針刺密度均勻一致,長(zhǎng)纖維與短纖維比例為75/25。~。層間密度為12~13單元層/cm。制成的碳纖維針刺氈經(jīng)過試驗(yàn),具有高強(qiáng)及良好的抗靜電性能,能滿足高速緩沖剎車制動(dòng)要求?！√祭w維針織物的應(yīng)用　用新型導(dǎo)紗器的針織新工藝可以得到碳纖維的增強(qiáng)針織物,這種針織物是由一根碳纖維長(zhǎng)絲連續(xù)織成,它可以取代合股增強(qiáng)或機(jī)織物增強(qiáng)材料的作用,而且針織工藝可以提供能任意成型和成本相對(duì)低廉的產(chǎn)品。增強(qiáng)針織物不受基體樹脂和預(yù)浸工藝的任何限制,均可獲得一定穩(wěn)定性、纖維分布永久性和一定抗拉性能的復(fù)合材料,這種復(fù)合材料由于增強(qiáng)材料的組織結(jié)構(gòu)而表觀出各向異性,但其空間變形可能要較機(jī)織物或未取向材料增強(qiáng)的復(fù)合材料要小,針織織圈的立體形態(tài)更有效的防止材料的起層現(xiàn)象。利用碳纖維針織物作增強(qiáng)材料的缺點(diǎn)是其性能受到基體樹脂的粘合能力、針織物紗圈的方向以及牽伸形式和程度等的影響。目前,碳纖維非織造布,機(jī)織物,三向織物的研制開發(fā)工作正進(jìn)一步加強(qiáng),其產(chǎn)品的用途也越夾越廣?！』钚蕴祭w維布(氈)的應(yīng)用　以粘膠纖維基布為原料經(jīng)過化學(xué)處理烘干,熱處理,高溫碳化和活化制成活性碳纖維布(氈),具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、便于使用等特點(diǎn),其表面積一般達(dá)到1200~2000m2/g,吸附速度是普通顆?；钚蕴嫉?0~100倍,脫附方便且性能基本不變,便于后加工。但其強(qiáng)度很低,成本較高,可以考慮針刺、熱熔、衍縫等復(fù)合方式制成碳纖維復(fù)合制品。目前,活性碳纖維布(氈)已廣泛應(yīng)用于紡織、環(huán)保、交通化學(xué)、電子、醫(yī)療、食品、日常生活等領(lǐng)域。它可以用于液相和氣相的吸附,如制造人工肝臟和腎臟,水質(zhì)凈化,室內(nèi)空氣的凈化,血液凈化器,防毒面具,汽車過濾汽油蒸氣裝置等。同時(shí)還可以用于制作放射性保護(hù)的服裝,理想的催化劑的載體及電子電器材料等?！　　√祭w維在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用大家知道,人體是一個(gè)遠(yuǎn)紅外輻射和吸收體,其有效的遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)范圍為5~14μm。北京化工大學(xué)的楊小平博士等人研制出一種新的碳纖維層壓面狀發(fā)熱材料,它是將碳纖維導(dǎo)電復(fù)合紙與絕緣材料、電極等通過層壓成型的。在利用5DX型傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)紅外測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)該面狀發(fā)熱板在8~15μm遠(yuǎn)紅外波段內(nèi),法向發(fā)射率為85%,具有較高的遠(yuǎn)紅外法向發(fā)射強(qiáng)度。因此,碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱材料作為一種有源遠(yuǎn)紅外加熱元件,具有輔助理療保健作用,是醫(yī)療保健品可選用的新材料,它可以促進(jìn)血液循環(huán),加快新陳代謝,減緩類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎疼痛,加快傷口的愈合速度等。利用碳纖維及其復(fù)合材料可以制造人工韌帶,人造假肢及人造骨骼等。碳纖維是開發(fā)人工韌帶的適當(dāng)材料,其性能穩(wěn)定,生物親和性好,直徑細(xì)小,有利于促進(jìn)細(xì)胞的長(zhǎng)入。英國最近的一則專利介紹了一種碳纖維和聚酯纖維的復(fù)合線性材料,以碳纖維長(zhǎng)絲為芯體,聚酯纖維旋覆于芯體之上,這種結(jié)構(gòu)使碳纖維表面盡量露在外,有利于與新生組織長(zhǎng)成一體。80年代末90年代初我國科學(xué)家也進(jìn)入該研究行列,并取得較大的進(jìn)展。隨著碳纖維技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,人民生活水平的不斷提高,在醫(yī)療保健及其它新的領(lǐng)域,碳纖維將會(huì)扮演一個(gè)越來越重要的角色。第四節(jié) 玻璃纖維 第五節(jié) 其他纖維[教學(xué)目的]：掌握玻璃纖維的性能特點(diǎn)；了解玻璃纖維結(jié)構(gòu)特征，掌握玻璃纖維的應(yīng)用。了解其他高性能纖維。[教學(xué)重點(diǎn)]：玻璃纖維的性能特點(diǎn)；玻璃纖維的應(yīng)用。[教學(xué)難點(diǎn)]：玻璃纖維結(jié)構(gòu)特征。[教學(xué)方法及手段]：課堂講授[課外作業(yè)]：本章節(jié)相關(guān)習(xí)題[學(xué)時(shí)分配]：2+2[教學(xué)內(nèi)容]： 玻璃纖維具有原料易得、拉伸強(qiáng)度高、斷裂伸長(zhǎng)低、彈性模量高、防火、防霉、耐熱、耐腐蝕和尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，是一種常用的性能優(yōu)良的增強(qiáng)材料。玻璃纖維最主要的缺點(diǎn)是脆性大和不耐磨，因此，它的復(fù)合材料制品也往往具有上述缺點(diǎn)。 玻璃纖維是在復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛的一種纖維。大約30年代初，聚合物基復(fù)合材料玻璃纖維就已問世，稱為玻璃纖維增強(qiáng)塑料。 數(shù)十年來，由于玻璃纖維性能及結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門都得到了廣泛的應(yīng)用。玻璃纖維本身具有許多特有的性能，價(jià)格又低，因此它又在混雜纖維復(fù)合材料中受到重視。玻璃纖維與碳纖維制成的混雜復(fù)合材料，可以不降低碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度而又提高其韌性，并降低材料的成本，同時(shí)可根據(jù)零件和實(shí)際要求進(jìn)行混雜纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)。 玻璃纖維制造及品種 玻璃纖維品種很多：根據(jù)纖維的化學(xué)成分有無堿纖維、低堿纖維和有堿纖維之分；根據(jù)纖維的外觀形狀有連續(xù)長(zhǎng)纖維、短纖維、空心纖維和卷曲纖維等類型；根據(jù)玻璃纖維的特性又可分為高強(qiáng)度高模量纖維、耐堿纖維和耐高溫纖維。 玻璃纖維經(jīng)過浸潤(rùn)槽集束而成原絲。原絲的粗細(xì)與單絲直徑及漏板孔數(shù)有關(guān)。一般拉絲爐的漏孔板有102孔、204孔、408孔或更多的孔，近年來，國外已發(fā)展到了4000孔。 玻璃纖維的化學(xué)組成主要是二氧化硅、三氧化硼。加入氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物能降低玻璃的熔化溫度和粘度，有利于玻璃熔液中氣泡的排除，故稱這類氧化物為助熔氧化物。加入氧化鈣、三氧化二鋁等能改善玻璃的某些性質(zhì)和工藝性能。