第4-1章_____碳纤维有机纤维-2007-1.pptVIP

4.1.1碳纤维概述 制造史100多年； 1880年，爱迪生，天然植物纤维，灯丝。次年，碳膜； 1909年，碳纤维，惰性气体，2300℃，石墨纤维； 20世纪50年代，美国，人造丝（黏胶纤维、醋酸纤维） 1959年，日本, 聚丙烯腈，1969年，工业化生产； 1963年，日本,石油沥青，1970年，工业化生产。 碳纤维是一个通用名称，如聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、黏胶(rayon)基碳纤维和沥青 (pitch)基碳纤维，主要由碳元素构成的纤维 。 石墨层片的堆叠厚度及其与纤维轴的取向不同，使碳纤维性能不同。 主要步骤： 1、稳定化处理(不熔化处理或预氧化处理)。防止先驱丝在后来的高温处理中熔融或粘连。 2、 碳化热处理。除先驱丝中非碳元素。 3、石墨化热处理。高温加热，使碳变成石墨结构，以改善在第2步骤中所获得的碳纤维的性能。 （1）聚丙烯腈先驱丝碳(PAN)纤维的制造 ●聚丙烯腈特性： PAN ，受热分解不熔融； ●原纤维制备工艺：湿法喷丝、干法喷丝，不能熔融喷施； ●原纤维为共聚物：丙烯腈（96％） 丙烯酸甲酯（3％）， 亚甲基丁二酸（即依康酸，1～1.5％）； ②碳化处理 高纯氮气中，慢速加温(1000～1500℃)，使纤维进行热分解，逐渐形成近似石墨的循环层面结构，使大部分非碳原子(如N、O、H)以分解物形式被排除，所获得的碳纤维中含碳量达到90％以上。 ③石墨化处理 氩气，3000℃，碳石墨结晶。继续施加牵伸力，石墨晶体的六角层平面平行于纤维轴取向。 T↑石墨化程度↑，纤维模量↑，裂纹及缺陷↑，强度↓。 通过不同的热处理工艺，可以获得: ★ 高强型(包括HS型、HT型、C1型) ★ 高模型(包括HM型、C3型) ★ 强度与模量水平匹配的A型碳(石墨)纤维。 纤维素：天然高分子，纤维形式存在，棉纤维。熔融前会分解。碳纤维 小，结晶取向度极低，不连续，成本高。 人造黏胶丝：木材、棉籽或甘蔗渣等为原料，提纯，一步法或连续法制黏胶，湿法纺丝，连续纤维束，热固性聚合物。 结构、力学以及组成特点： 横截面大多数呈山轮状。 经过生产工艺的革新，黏胶基碳纤维的强度和模量分别为2.8 GPa和350 GPa ，断裂伸长为0.5％左右。 碱金属含量低(小于100*10-6)，而PAN基碳纤维的碱金属含量高。 （3）沥青基碳(石墨)纤维的制造 原料：石油沥青、煤沥青和聚氯乙烯沥青； 各向同性沥青和各向异性沥青。 沥青可纺性←原料具有流变性←分子结构、平均分子量、分子量分布→熔体粘度、熔化温度→熔纺温度、纺丝速度 　沥青纺丝：传统的熔融纺、喷射纺或离心纺。 　各向异性：多相结构和高黏性，纺丝需要高温和高速度; 　中间相沥青：热塑性， 氧化胶联，热固性。 4.1.3 碳纤维的性能 （１）力学性能 　　Willans，碳键键能和密度，石墨E0-180GPa，石墨层片方向杨氏模量值的18％。 　　　★ 杨氏模量与固有弹性模量，微晶沿纤维轴的取向度Z0有关。 　　　★轴向拉伸强度与取向度Z0、反应速率常数K和结晶厚度Lc有关。 对于不同纤维(HT,HM)，实际强度与弹性模量具有以下关系： 1、 σHT=(0.010～0.014)E 2、 σHM=(0.0040～0.0063)E 高拉伸强度,中等模量的(200~300GPa)的高强碳纤维(HT)； 高杨氏模量(400GPa)的高模量纤维(HM)； 极高或超高拉伸强度的碳纤维(SHT)和超高模量碳纤维(SHM)； 中间相沥青基碳纤维具有相当高的模量和较低的强度（约2GPa)，复合材料增强体；各向同性，磨檫材料或填料。 不同先驱体碳纤维与石墨晶体性能的比较 热性质： 热膨胀系数，各向异性的碳纤维具有两个基本的热膨胀系数，平行纤维轴向（＞0）和垂直纤维轴向（＜0） 。 比热容，约0.7J/(g·K)，HT,HM差别不大； 热导率(沿碳纤维轴方向)，Kf=K/Φf，T