【正文】 3/2/2023 93 1/3用于航空工業(yè)和航天工業(yè)；1/3用于體育用品； 1/3用于其它工業(yè) 。 ? （ 4） 活性炭纖維 。 其生產方法是用合成樹脂浸漬碳纖維織物 ， 再壓成片狀 ， 然后加熱到 1000℃ 左右使浸漬劑碳化 。 用作輻射加熱的大體積真空爐中輕質 、 高負荷的電導體 ， 其最高使用溫度可達 3000℃ 左右 。 碳纖維氈和碳素短纖維的其它用途為：填充塔的填料；侵蝕性氣體和液體的過濾材料；催化劑的載體；燃料電池和蓄電池的電極 。 碳纖維氈的密度為 ~ g/cm3， 在 20℃ 時的導熱率為 6 105~3 104W/mK。 主要用做絕熱材料 （ 如電阻爐和感應電爐 ） 。 其制品主要用在：飛機 、火箭等承受高負荷的部件；高壓容器；體育用品 （ 如網球 、 冰球 、 高爾夫球拍；滑雪板；賽車；賽船；帆船等 ） 。 3/2/2023 90 碳纖維常規(guī)產品特性 （略） 3/2/2023 91 ? 碳纖維的應用 ? （ 1） 碳絲 。 3/2/2023 89 活性炭纖維的制造采用氣體活化法 ，碳纖維在 600~1200 ℃ 的條件下 ， 用水蒸氣 、 CO 空氣 、 煙道氣等進行活化 。 ? —— 目前 ， 用于制造活性炭纖維的原料主要有粘膠絲 、聚丙烯睛纖維 、 酚醛纖維 、 瀝青纖維和聚乙烯醇纖維 。 活性炭纖維亦可理解為多孔質的碳纖維 。 用石油瀝為原料制造碳纖維 ， 這是個發(fā)展方向 。 ? 而用便宜的瀝青纖維作原料 ， 是解決今后碳纖維大量推廣應用的重要途徑 。 ? —— 石墨化處理 ? 把碳纖維加熱到 2023℃ 以上 ， 就得到了高彈性模量 、 高強度的石墨纖維 。 ? —— 氧化處理 ? 與用腈綸纖維的方法基本相同 ， 首先也是進行加張氧化處理 ， 并且石油瀝青纖維的氧化處理要求在氧化能力更強的臭氧氣體中進行 ， 才能進一步形成加熱穩(wěn)定的黑化纖維 。 ? —— 紡絲 ? 紡絲一般采用熔融紡絲法 。 因此 ， 這樣的石油瀝青要經過一系列的處理后才能用來紡成絲 ， 而這些處理是比較麻煩的 ， 這也是石油瀝青的一個缺點 。 其中要求 “ 烯烴 ” 類芳香族化合物的含量要高 。 因此一百千克石油瀝青纖維 ， 炭化后能得到八十五千克以上的碳纖維 ， 比用腈綸纖維做原料制得的碳纖維要多將近一倍 ， 而且所得到的碳纖維性能也高 。 3/2/2023 83 （ 4） 用瀝青制造碳纖維 —— 石油瀝青經過處理后拉出的石油瀝青纖維 ， 是制造碳纖維的一種優(yōu)良原料 。 但這種原料纖維在預氧化和炭化過程中會發(fā)生大量有毒的氰化氫氣體 。 ? 近年來提出的一些方法 ， 其區(qū)別主要在氧化階段工藝 。 3/2/2023 82 ? 三個階段反應的時間很不相同 。 它可以使纖維在處理過程中伸長 、 收縮或保持原纖維的長度不變 ，從而使有不同拉伸性能的原料纖維 ， 在氧化時都能達到最大許可拉伸程度 。 把氧化 、 炭化和石墨化幾個階段連接起來 。 用這種方法只能得到定長的碳纖維和石墨纖維 ， 只可以用它來制造一些小型的部件 。 3/2/2023 80 B、 聚丙烯腈纖維制造碳纖維的工藝流程圖 腈綸纖維 氧 化 處 理 空氣中 200— 300℃ 加張 炭 化 處 理 惰性氣體中 1000— 2023℃℃ 碳 纖 維 石 墨 化 處 理 惰性氣體中 2023℃ 以上 石墨纖維 應用 應用 3/2/2023 81 ? C、 腈綸纖維制造碳纖維工藝的說明 ? 根據(jù)加張方法的不同 ， 碳纖維的生產方法可以分為兩種： ? 一是 框架法 。 溫度愈高 ， 石墨化程度愈完全 ， 經過3000℃ 石墨化處理的石墨纖維 ， 含碳量幾乎達到 100℃ 。 石墨化也可以利用碳纖維的導電性能 ， 以其自身作發(fā)熱體通電加熱來達到 。 最后 ， 就得到了具有金屬光澤的高彈性模量 、 高強度的碳纖維 —— 石墨纖維 。 炭化時保護氣氛的純度 ， 及時排除裂變產物 ，掌握升溫速度的快慢等 ， 對制得碳纖維的強度有很大的影響 。 因原料和處理工藝的不同 ， 碳纖維的含碳量在 75— 95%之間 。 3/2/2023 78 ? —— 黑化纖維的炭化階段 ? 氧化后纖維的處理過程叫做炭化 。 ? —— 在氧化過程中 ， 加熱時要給纖維 兩端加上張力 ， 以防止纖維在加熱過程中產生收縮 ， 甚至還要使纖維有所伸長 。 也就是說 ， 纖維的氧化應該在較低溫度下長時間地進行 （ 一般要一 、 二十小時 ） 。 這些缺陷都將保留到碳化后的碳纖維中 ， 降低碳纖維的質量 。 3/2/2023 77 ? —— 在纖維氧化并使結構穩(wěn)定化的同時 ， 還發(fā)生著纖維的分解 。 此外 ， 彈性模量有顯著增加 ， 密度也增加了 ， 這一切都表示纖維中的鏈狀分子排列得更加緊密了 。 經過完全充分氧化后的纖維 ， 含氧量在 10%左右 。 黑化纖維結構中的鏈狀化合物和石墨結構中的六邊形環(huán)鏈相似 ， 只是其中的每一個六邊形環(huán)上有一個碳原子被氮原子所取代 。 3/2/2023 76 ? —— 在氧化過程中 ， 聚丙烯腈的顏色從白色逐漸變成黃色 、 棕色 ，最后變成黑色 。 3/2/2023 74 A、 用聚丙烯腈纖維制造碳纖維分下面幾個階段： —— 聚丙烯腈的氧化階段 —— 黑化纖維的炭化階段 —— 碳纖維的拉伸石墨化階段 3/2/2023 75 ? —— 聚丙烯腈的氧化階段 ? 由于聚丙烯腈纖維在隔絕空氣的條件下加熱后要熔化 ， 因此用聚丙烯睛來制造碳纖維時 ， 就首先要把準備好的原料纖維放在空氣中 ， 或放在氧氣等氧化氣體中 ， 在 200~300℃ 的溫度下加熱 ， 這個過程叫氧化過程 。 碳纖維就主要是以純粹的丙烯腈聚合而成再經過特特工藝得到的連續(xù)纖維做原料 。 由于這些原因 ， 目前大部分是用腈綸纖維 、 瀝青纖維作原料來制造碳纖維 。 加熱到 3000℃左右進行的 “ 拉伸石墨化 ” 工藝 ， 是制得高機械性能碳纖維所必需的 ， 它使得碳纖維取向呈石墨微晶細帶狀 ， 同時使纖維的孔隙度減少 50%。 但由于纖維素纖維的大分子結構中含有氧原子 ， 在加熱過程中氧進行了重排反應 ， 所以就使得原料纖維中的分子從整齊的排列取向變成了雜亂無章的排列 ， 造成了纖維在低溫下強度降低 ， 并難以施加張力 。 它直接放在惰性氣體中加熱 ，到 700℃ 以上 ， 即可得到強度和彈性模量低的碳纖維 。 同時 ， 制造再生纖維素纖維的原料來源受到自然條件的限制 。 ? —— 再生纖維素碳的含量較低 。 —— 3） 瀝青和煤抽取物 。 基于上述原因 ， 目前商業(yè)上可供使用的原料有： —— 1） 纖維素和再生纖維素 。 —— 聚合物在熱降解中損失要小 。 這也就是為什么要用有機纖維做原料制造碳纖維的原因 。 — 含碳的有機纖維做原料 ， 在沒有氧氣的情況下 ， 經過高溫處理 ， 將氮 、 氫 、 氧等非碳原子變成氰化氫 、 氨 、 水 、 甲烷 、 氫 、 氮等氣態(tài)組分 ，并把焦油等產物排除掉 ， 所剩下碳的骨架就構成了碳纖維 。 3/2/2023 67 碳纖維的制造 3/2/2023 68 （ 1） 原料 —— 碳纖維是不能用碳做原料來制造的 。 —— 彈性模量主要取決于微觀結構 ， 特別是石墨層的波浪度 。 這些細帶或多或少地成波浪形而主要平行于纖維軸伸展；波浪形的細帶形成微原纖； —— 細帶在縱向伸展 ， 呈柳葉刀形的孔 ， 寬約 ，長數(shù)十納米 ， 體積約占 20~30%。 石墨平面層內的碳原子 ， 都象大自然中最硬的物質 — 金剛石結構內的碳原子一樣 ， 彼此間結合得很牢固 ， 因此 ， 要使它變形或破壞它 ， 就也得象破壞金剛石那樣 ， 要用比其它材料更大的力才行 ， 這也就是碳纖維的彈性模量和強度特別高的原因 。 顯然 ， 取向角愈小 ， 石墨層平面與纖維軸向的平行度就愈高 ， 或者叫做取向度愈高 。 10176。 3/2/2023 64 ? —— 石墨平面層就不象普通石墨結構平面網層那樣雜亂地排列 ， 而是沿著纖維長度方向平行而整齊地排列 ， 這就是高彈性模量 、 高強度碳纖維的結構和普通石墨不同的地方 。 同樣 ， 在垂直和平行方向上 ， 石墨的導電性 、 導熱性和膨脹系數(shù)等 ， 也都要相差許多倍 。 ， 每個碳原子和相鄰的三個碳原子間距離都相等 ， 構成一個正六邊形環(huán) 。 因此 ， 石墨分子內部的碳原子是成層狀排列的 。 因此 ， 適用于填充材料和隔熱材料的織物 、 毛氈和線繩 。 3/2/2023 62 各向同性的碳纖維是由玻璃狀的碳 ， 即具有渦輪層疊結構的多晶狀態(tài)碳組成 。如果用多孔的有機纖維作原料 ， 那么碳化后得到的則是多孔的活性炭碳纖維 。 這類纖維的制造費用是所有碳纖維中最低的 ， 并且它的強度 、 彈性模量也不高 。 因此碳纖維在斷裂之前 ， 沒有任何明顯的征兆 ， 人們不能在事故發(fā)生之前采取預防措施 。 ? —— C、 破壞前無預報 ? 碳纖維在斷裂前沒有預報 。 3/2/2023 59 ? 碳纖維的缺點： ? —— A、 比較脆 、 怕受壓和剪切 ? 碳纖維尤其害怕 “ 打結 ” 和 “ 急拐彎 ” 。 ? —— 多孔活性炭碳纖維和目前工業(yè)上廣泛應用的吸附材料 ——顆粒活性碳相比較 ， 無論從通氣