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碳纤维的制备及力学性能测试 大型工艺实验讲义 编者 陈惠芳 东华大学材料学院 2004 年 11 月 一、实验目的 概述： 随着宇航，导弹，原子能等现代技术的迅速发展，现有的钢铁和合金材料已 很难满足要求，而近几十年发展起来的碳纤维具有高弹性模量，高强度的优点， 碳纤维及其复合材料在社会建设和发展的各个领域将发挥更加广泛的作用。 碳纤维是纤维状的炭材料，及其化学组成中碳元素占总质量的 90% 以上。碳 纤维及其复合材料具有高比强度，高比模量，耐高温，耐腐蚀，耐疲劳，抗蠕变， 导电，传热，和热膨胀系数小等一系列优异性能，它们既可以作为结构材料承载 负荷，又可以作为功能材料发挥作用，目前几乎没有什么材料具有这么多方面的 特性。因此，碳纤维及其复合材料近年来发展十分迅速。 可以用来制取碳纤维的原料有许多种，按它的来源主要分为两大类，一类是 人造纤维，如粘胶丝，人造棉，木质素纤维等，另一类是合成纤维，它们是从石 油等自然资源中提纯出来的原料，再经过处理后纺成丝的，如腈纶纤维；另外， 石油沥青纤维等也属于这一类。实际上仅由纤维素纤维、聚丙烯腈纤维和沥青纤 维制得的碳纤维已实现了工业化。从成本和性能方面比较，粘胶基碳纤维已逐渐 被淘汰。但它作为航空飞行器中耐烧蚀材料有其独特的优点，由于含碱金属、碱 土金属离子少，飞行过程中燃烧时产生的钠光弱，雷达不易发现，所以在军事工 业方面还保留少量的生产。粘胶基碳纤维增强的耐烧蚀材料，可制造火箭、导弹 和航天飞机的鼻锥及头部的大面积烧蚀屏蔽材料、固体发动机喷管等，是解决宇 航和导弹技术的关键材料。粘胶基碳纤维还可做飞机刹车片、汽车刹车片、放射 性同位素能源盒，也可增强树脂做耐腐蚀泵体、叶片、管道、容器、催化剂骨架 材料、导电线材及面发热体、密封材料以及医用吸附材料等。目前世界上仍保留 一定的生产能力。虽然它是最早用于制取碳纤维的原丝，但由于粘胶纤维的理论 总碳量仅 44.5%,实际制造过程热解反应中，往往会因裂解不当，生成左旋葡萄糖 等裂解产物而实际碳收率仅为 30% 以下。聚丙烯腈基碳纤维的炭化收率比粘胶 纤维高，可达 45 ％以上，而且因为生产流程，溶剂回收，三废处理等方面都比 粘胶纤维简单，成本低，原料来源丰富，加上聚丙烯腈基碳纤维的力学性能，尤 其是抗拉强度，抗拉模量等为三种碳纤维之首。所以目前的应有领域最广，产量 也最大，是碳纤维中最重要的一个品种。 通过本实验达到的目的： 1． 了解整个碳纤维的制备过程及机理 2 ． 了解 氧化、碳化工艺参数对碳纤维性能的影响 3 ． 掌握碳纤维束丝力学性能测试方法 二、实验原理（3000 字以上，或 A4 纸四号字 1.5 倍行距四页以上） 以粘胶纤维、聚丙烯腈纤维作为前驱体纤维，在加热和氧化的作 用下，形成耐热的不熔化纤维，再经过高温处理脱除非碳原子，最终 形成碳元素含量为 90% 以上的纤维。由于前驱体的纤维的分子结构不 同，具体制备有所差异。本实验主要讨论了两种碳纤维的制备原理即 粘胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维。 1、 粘胶（纤维素）基碳纤维 1．1 纤维素结构式 纤维素是葡萄糖残基联接的线性天然化合物，结构单元表示如 下： C H 2 O H C H 2 O H O O O H O O H O O H O H 1．2 工艺流程 粘胶基碳纤维的制造工艺流程如下： 粘胶原丝→加捻→催化处理→干燥→低温热处理→碳化→表 面处理→上浆→干燥→卷绕 1．3 简单机理 碳纤维的质量在很大程度上取决于原丝的质量，因此粘胶基原 丝有专门的质量控制指标，一般要求直径细、微孔少、结构均匀、 致密、含杂质少。加入适当的催化剂，使热处理平稳地进行，并可