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碳纤维及其复合材料的发展和应用概况

中国科学院化学研完所徐昌华

从沥青制备碳纤维寄予很大的希望,但多半
、

一碳纤维的发展简况,
处于研制阶段最近美国联合碳化物公司解
从爱迪生发明电灯制出世界上第一根碳决了一系列技术问题,已有沥青系碳纤维商

。
纤维至今,已有整整一百年的历史这种用品出售。

、、、
竹子棉花亚麻等天然纤维碳化制成的碳纤目前世界上大约有十五六家公司生产

。,
维灯丝,强度很低一震就断钨丝的问世淘汰高性能碳纤维1975年世界碳纤维产量达

,。。
了这种灯丝这是碳纤维发展的最初阶段16。吨美国某顾问予计,八十年代初,世

,,、。
五十年代中期随着航空宇航等先进界碳纤维总产量可达1000吨/年左右

,
技术的发展日益迫切需要质轻而高强的材我国碳纤维研制工作开始于五十年代末

,,
料从此碳纤维又受到人们的重视开创了六十年代初,中国科学院金属研究所首先用

。。
新的发展阶段粘胶丝为原料,进行了初步的研究中国科

,
1959年美国联合碳化物公司(UCC)学院应用化学研究所用PAN为原料,采用

,、。
以人造丝为原料创造出一种高强度高模框架式间断工艺进行研究三机部625所在
,“ne”,
量碳纤维并以Thor125牌号商品化施加张力以提高碳纤维性能方面做过大量工

。。
这在碳纤维发展史上可以说是划时代的事作中国科学院化学研究所从七十年代初开
最早提出用聚丙烯腊(PAN)为原料制始,在缩短工艺周期和连续化方面做了一些

,
备碳纤维的是日本的进藤他提出了在碳化探索性工作,摸索出一套从PAN原丝用催

,。
之前予氧化的工艺提高了产品的性能英化法制备碳纤维的工艺路线,使反应时间从
国的Watt等引入了在氧化过程中给纤维施原来的几十小时缩短到一小时,并对连续化

、
加张力的概念,使纤维在碳化之前保持原高的协凋运转气密封和施加张力等方面做了

、
聚物的分子排列,从而得到了高强度高模量较多的工作,终于在1973年“五一,前夕
碳纤维,并提高了碳得率,这是一次重要的制造出国内第一根连续碳纤维。中国科学院

。
突破“,煤碳化学研究所于同年国庆前夕也制出了连

。
1965年美国联合碳化物公司第一次实现续碳纤维上述研制工作为我国碳纤维的工

。。
了以人造丝为原料的碳纤维连续生产日本业化生产奠定了基础‘“)
的东丽公司应用有关晴纶纤维的多年积累的
、
,二纤制
研究成果找到了适于制造碳纤维的特殊碳维造方法简介
PAN纤维,并在1969年成功地开发了自己的原则上一切加热后不熔融并可牵伸的天
碳化工艺,1971年以“托来佳”牌号商品化,

。
并能提供长度在2700米以上的连续长丝注:本文系一九八O年五月在南京召开的中国电子

,
近年来为了开发碳纤维在其它工业领学会生产技术学会塑料成型及应用技术第一届
域的应用,要求尽可能降低价格,人们对于年会上宣读
、,
然纤维再生纤维和合成纤维都可以用来制型和高模型几种最近又提出一种超高模

。。、、
造碳纤维然而,综合地考虑碳纤维的特型国内有人提出按低强型普通型中强

、,,
性,以及是否容易生产等特点,目前有工业型高强I型高强I型和高模型等六种

、:
化生产价值的仅有PAN系人造纤维系和其指标如下表所示‘“’
三。
沥青系种抗张强度1模量
型留:
,类’
无论采用那种原丝大致都必须经过下公斤/毫米){(吨,毫米)

,。
列工艺过程才能得到有用的碳纤维甘.
低强型20531o0n八201420”
原丝,预处理,稳定化处理、碳化
碳纤维一涂胶处理一表面处理一普通型
}中强型
杏
石墨纤维“涂胶处理‘表面处理“石墨化高强I型

、
其中最主要的是原丝的质量稳定化处理和高强I型

。
碳化工艺高模型j怡0

、、
、
三碳纤维的分类结构及其物理性能关于碳纤维的电性能热性能等,国内

,
,尚没有系统地研究仅将日本和美国的有关
碳纤维的含碳量一般在90%左右空气
,:
,报导综述如下以供参考
法碳纤维的含碳量稍高一些催化法碳纤维
日纤的理能
由于含有路易斯酸的金属原子所以含碳量低本碳维物性

。·中强型高强型高模型
一些,石墨纤维的含碳量一般在98%以上

。
除碳之外,碳纤维中主要成份是氮和氢⋯{⋯

、
2,0口”八”甘‘
碳有无定形碳石墨和金刚石三种性能抗张强度(公斤/毫米)0.1.22勺0J片叮且I5UnbJ叮自口-,月了曰跳月0喂210

,
2
差别很大的结构形态石墨是一种片晶结拉伸模量(吨/毫米)40

,,
刚的维是由‘3
构金石则是碳单晶结构碳纤密度(克厘米)
之晶或微的墨晶和的碳
称为微纤类石体有序。
(%)050
。断裂伸长
组成的自身复合材料类石墨微纤是民形或,.t月几.
·
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.比热(卡/克度)
针状的多晶体