碳纤维新材料研究进展概述

碳纤维新材料研究进展

PAN系碳纤维材料

PAN系碳纤维的结构[10]就如同聚合纤维前躯体的基础结构一样，在本质上是纤维丝状的而PAN系碳纤维的模数在其横截面上则是呈现变化性的。在一个最近的研究中，Huang 及Young[11]使用拉曼光谱证实了在PAN系碳纤维中的这种表面核心的结构性差异。另外，Johnson[12]发现在纤维较外层的微晶之间有针状空隙存在，而且在此区域内之平面层基本上会平行于表面然而在核心区域平面层却呈现大量的褶皱。PAN系碳纤维内包含许多皱褶及连结的混乱堆叠碳层其层间距离比石墨要大很多。

核心提示：碳纤维可能是最近 35 年来被商业化的碳制品中最成功的一项。对于其研究至今仍在火热进行中，而碳纤维更进一步在热处理方面发展出新的应用类型。

碳纤维可能是最近 35 年来被商业化的碳制品中最成功的一项。对于其研究至今仍在火热进行中，而碳纤维更进一步在热处理方面发展出新的应用类型。同其他的制品商业化的碳纤维表现出一致性的机械及传输性质，而且由于对每一种应用的最佳性质或许会有所不同，因此自从 1960 年代英国的Union Carbide 公司首次将高性能碳纤维商业化后关于碳纤维本身微结构的控制以及其结构与性质间之关联性便广为各界研究。

因此PAN系碳纤维具有低的石墨化程度，PAN系碳纤维内的乱层结构与 PAN 原纤的微纤结构相似。虽然这些微纤内的石墨乱层倾向于平行排列于纤维轴，但却不是高度的排成一直线。

几乎所有的工业用纤维都是由以下三种技术制造而成：熔融纺丝、湿式纺丝、干式纺丝。以上三种方法中由于熔融纺丝法是直接将纯的前躯体转变成纤维状而不会掺有额外的溶剂，因此可降低溶剂回收的花费问题，所以一般皆较喜爱使用此法为制程。然而若前躯体在熔点温度附近有裂化现象就必须采用干式或湿式纺丝法[13]。其反应历程: PAN前躯体的制作→PAN纤维前躯体的制作→PAN纤维前躯体之稳定化 →稳定处理后PAN纤维之碳化。

1    碳纤维材料简介

碳纤维是一种纤维状碳材料。它是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。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。它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。[6]

1.1  碳纤维的历史

碳纤维的起源 1860年，英国人瑟夫·斯旺将细长的绳状纸片碳化制取碳丝，以此制作电灯的灯丝。大约在1879年，他把棉纱浸入硫酸，焦干处理，然后碳化，或将硝化纤维素从膜孔中挤出成丝，然后在碳化，并获得专利。由于当时解决不了灯泡的真空问题，所以没有实用化意义。但是，碳丝的起源或溯源点应该是从他开始的。[3]