碳纤维

出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《塑料助剂手册》第699页（2004字）

【释文】：

碳纤维是由元素碳构成的一类纤维材料。它可由几种方法制造，目前使用最广泛的是有机纤维高温碳化法，即在隔绝空气和水分的情况下将有机纤维加热至700～1000℃使之分解碳化而成。若将其继续加热至2760℃左右还可形成石墨纤维。

碳纤维的发展可追溯到一百年前，早在1880年爱迪生就首次制出了碳丝，并将它们用作灯泡的灯丝。但碳纤维的制造技术发展却十分缓慢，直到1959年才生产出真正纺织形式的碳纤维，近年来该类纤维得到了较快发展。

工业上用于制造碳纤维的有机原料主要是人造丝、聚丙烯腈和沥青三大类，从性能和经济性上看，后两种原料的发展前景更为广阔。按照碳纤维的形状可分为连续丝状的长纤维和长度为50毫米以下的短纤维。按照碳纤维的性能，特别是模量特性，可将共分为通用型(亦可称为低模量型)和高性能型两大类。前者根据其碳化温度的高低有石墨质和碳素质之分，后者又可分为高强度型和高模量型两种。表10－8为通用型和高性能型碳纤维的性能比较，表10－9为碳纤维和石墨纤维的性能。

表10－8 通用型和高性能型碳纤维的性能

表10－9 碳纤维和石墨纤维的性能

由沥青制得的高模量碳纤维，其模量虽然比聚丙烯腈碳纤维还高，但与树脂的粘合性差，用于制造增强塑料时，即使进行表面处理，材料的压缩强度和层间剪切强度也达不到聚丙烯腈碳纤维的一半，这大大限制了它的应用。

在塑料工业中，碳纤维可作为热固性树脂的增强材料，如环氧树脂，酚醛树脂，不饱和聚酯等，也可用于热塑性树脂如尼龙、聚碳酸酯、ABS树脂、聚苯乙烯、聚缩醛、聚乙烯、聚丙烯等。填充量一般为10～40%。碳纤维增强塑料的主要特点是：

(1)质量轻、强度高、刚性高(特别是比刚性高)；

(2)耐疲劳性好；

(3)耐蠕变性好；

(4)耐摩擦性好；

(5)热膨胀性小，尺寸精度和稳定性高；

(6)导电性和导热性高，但在超低温下，比玻璃纤维增强塑料小；

(7)x射线透过性高，有电波遮蔽性，是非磁性体；

(8)耐腐蚀性和耐热性好；

(9)消振性好。

其缺点是：

(1)价格高；

(2)冲击强度不及玻璃纤维增强塑料；

(3)层间剪切强度低(但高性能型碳纤维增强塑料与玻璃纤维增强塑料相同)；

(4)有电腐蚀性，特别是与铝组合使用时电腐蚀比较严重。

表10－10为碳纤维和玻璃纤维的增强效果比较。

为了提高碳纤维与树脂的粘合性，通常都对它们进行表面处理，使用的方法有表面氧化法和表面上胶法。碳纤维经表面氧化处理后，表面的含氧基数量增多，在增强塑料中与树脂的层间剪切强度随之提高，界面层的破坏形式从弱氧基(OH基)的剪断变成为强氧基(COOH基)的拉断。上胶处理是在碳纤维表面附着一层树脂，这样可大大改善其与基质树脂的亲和性。常用的表面处理剂是环氧树脂，附着率可达0．3～2%。此外，还可使用聚酯树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇、尼龙、聚四氟乙烯等。表面处理剂的种类和附着率对增强塑料的抗张强度和冲击强度等特性有很大影响。

目前，碳纤维增强塑料主要用于空间开发、航空、汽车、医疗器械、工业用零件、轻量化自行车等方面，因价格较高，应用尚不普遍。

表10－10 碳纤维和玻璃纤维增强的尼龙66性能

国内生产厂 辽原化工厂

上海碳素厂

兰州碳素厂