碳纤维是什么材料做的？

碳纤维是什么材料做的？

碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在90%以上的高分子纤维状碳材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。

碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。上前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的； 只有在碳化过程中不熔融，不剧烈分解的有机纤维才能作为CF的原料。 有些纤维要经过予氧化处理后才能满足这个要求。

1. 碳纤维的概念

碳纤维，英文为Carbon Fiber，简称CF。碳纤维是指由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，是纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。

2．碳纤维的结构

碳纤维的分子结构介于石墨与金刚石之间。目前公认的碳纤维结构是由沿纤维轴高度取向的二维乱层石墨组成。微晶的形状、大小、取向以及排列方式与纤维的制备工艺相关。

2.1 结构单元

石墨：六方晶系

理想的石墨点阵结构属六方晶系，真实的碳纤维结构属于乱层石墨结构。

最基本的结构单元：石墨片层

二级结构单元：石墨微晶(由数张或数十张石墨片层组成)

三级结构单元：石墨微晶组成的原纤维。直径在50nm左右，弯曲，彼此交叉的许多条带状组成的结构 ，条带状的结构之间存在针形空隙，大体沿纤维轴平行排列。

2.2 皮芯层结构

CF由皮层、芯层及中间过渡区组成。

皮层：微晶较大，排列有序。

芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。

3．碳纤维的缺陷

3.1 来源

碳纤维中的缺陷主要来自两方面：原丝带来的缺陷与碳化过程带来的缺陷。

PAN碳纤维结构是高倍拉伸的、沿轴向择优选向的原纤维和空穴构成的高度有序织态结构。在PAN碳纤维上存在异形、直径大小不均、表面污染、内部杂质、外来杂质、各种裂缝、空穴、气泡等。

原丝带来的缺陷在碳化过程中可能消失小部分，但大部分将保留下来，变成碳纤维的缺陷。而碳化过程带来的缺陷则在碳化过程中，大量非C元素以气体形式逸出，使纤维表面及内部形成空穴和缺陷。绝大多数纤维断裂是发生在有缺陷或裂纹的地方。

3.2 CF中缺陷的观察研究手段：

扫描电镜(SEM)：研究纤维表面缺陷

透射电镜(TEM)：研究纤维内部结构

4、碳纤维性质

4.1、碳纤维的物理性质如下：

(1)碳纤维的密度在1.5—2.0g/cm3之间，这除与原丝结构有关外，主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温(3000℃)石墨化处理，密度可达2.0g/cm3。

(2)碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同，它有各向异性的特点。平行于纤维方向是负值(-0.72×10-6～-0.90×10-6 K-1)，而垂直于纤维方向是正值(32×10-6～22×10-6 K-1)。

(3)碳纤维的比热容一般为7.12×10-1KJ/(kg·K)。热导率随温度升高而下降。

(4)碳纤维的比电阻与纤维的类型有关，在25℃时，高模量为775ìÙ/cm，高强度碳纤维为1500ìÙ/cm。碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生化学腐蚀。

4.2‘碳纤维的化学性质如下：

碳纤维的化学性质与碳相识，它除能被强氧化剂氧化外，对一般碱性是惰性的。在空气中，温度高于400℃时则出现明显的氧化，生成CO与CO2。在不接触空气和氧化剂时，碳纤维具有突出的耐热性能，与其他材料相比，碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降，而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。另外碳纤维还具有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化，它还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。

表1 不同种类碳纤维的力学性能

碳纤维除了具有一般碳素材料的特性：耐高温, 耐磨擦, 导电, 导热及耐腐蚀等, 其外形有显著的各向异性, 柔软, 可加工成各种织物, 又由于比重小, 沿纤维轴方向表现出很高的强度, 碳纤维增强环氧树脂复合材料, 其比强度、比模量综合指标, 在现有结构材料中是最高的，碳纤维有极好的纤度（纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数），一般仅约为19克；拉力高达300KG/MM2；还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。

4.3碳纤维化复合材料的优缺点

优点：

（1） 强度和弹性系数高、比重小（轴向强度和模量高）

（2） 疲劳强度高（耐疲劳性好）

（3） 比金属的震动衰减性好

（4） 潜变小（无蠕变）

（5） 耐摩耗性佳，摩擦系数小

（6） 热的扭安定性良好

（7） 极低温度下的热传导性小

（8） 耐腐蚀及耐化学性优异

（9） 具有导电性但为非磁性体

（10） X光射线的透过性大

（11） 具有电波的遮蔽性

（12） 比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好

缺点：

（1）破坏伸度小，有剪断或钻孔时，静力强度就会大幅度下降，而且耐冲击强度低；

（2）和纤维方向相比，非纤维方向及层间的物性低落，在最后破坏前和纤维方向成90度的横方向会龟裂，受冲击时会产生层间剥离，因此受冲击后残存强度低落；

（3）在吸湿情况下，高温时的物性低落。

（4）在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理

5、碳纤维分类

5.1按原丝类型分类

5.2按碳纤维性能分类

5.3按碳纤维的功能分类

碳纤维于石墨纤维的区别：

碳纤维主要含无定形碳，碳含量约为95%，热处理温度1200-1500℃，

石墨纤维还有较多的结晶碳，碳含量99%以上，热处理温度2000℃以上，制造纤维时的温度不同造成以上差别。

目前, 工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类, 但主要生产前两种碳纤维。由粘胶纤维制取高力学性能的碳纤维必须经高温拉伸石墨化,碳化收率低,技术难度大,设备复杂, 成本较高,产品主要为耐烧蚀材料及隔热材料所用；由沥青制取碳纤维,原料来源丰富,碳化收率高,但因原料调制复杂、产品性能较低,亦未得到大规模发展；由聚丙烯腈纤维原丝制得的高性能碳纤维,其生产工艺较其他方法简单,而且产品的力学性能优良,用途广泛,因而自20世纪60年代问世以来,取得了长足的发展, 其产量约占全球碳纤维总产量的90%以上,成为当今碳纤维工业生产的主流。