碳纖維增強環氧樹脂制備方法

1. 論碳纖維管強度，看看技術如何顛覆傳統！

從18世紀60年代開始，我們的世界在第一次工業革命的引領之下，日新月異，發展迅猛，就如同打開了發展速度這個「潘多拉魔盒」一樣，一發不可收拾。而與之對應的則是各類的新型產品，技術革命以及顛覆式的創新。鄧公曾講過，科技是第一生產力。而如今看來，的確如此。技術的提升創新甚至是革命，帶來的是前所未有的驚喜和對傳統產品巨大的沖擊力。碳纖維便是如此應運而生。究竟碳纖維有何過人之處，今日且聽筆者娓娓道來。

碳纖維管又稱碳素纖維管，也稱碳管，碳纖管，是採用碳纖維復合材料預浸入苯乙烯基聚脂樹脂經加熱固化拉擠(纏撓)而成。在制過程中，可以通過不同的模具生產出各種型材，如：不同規格的碳纖維圓管，不同規格的方管，不同規格的片材，以及其它型材：在製作過程中也可以包3K進行表麵包裝美化等等。而我們知道，碳纖維管的基礎便是碳纖維，碳纖維是含碳量高於90%的無機高分子纖維。其中含碳量高於99%的稱石墨纖維。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A，各平行層面間的各個碳原子，排列不如石墨那樣規整，層與層之間借范德華力連接在一起。

通常也把碳纖維的結構看成由兩維有序的結晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。

當孔隙率低於某個臨界值時，孔隙率對碳纖維復合材料的層間剪切強度、彎曲強度和拉伸強度無明顯的影響。有些研究指出，引起材料力學性能下降的臨界孔隙率是1%-4%。孔隙體積含量在0-4%范圍內時，孔隙體積含量每增加1%，層間剪切強度大約降低7%。通過對碳纖維環氧樹脂和碳纖維雙馬來亞胺樹脂層壓板的研究看出，當孔隙率超過0.9%時，層間剪切強度開始下降。由試驗得知，孔隙主要分布在纖維束之間和層間界面處。並且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，並顯著降低了層合板中層間界面的面積。當材料受力時，易沿層間破壞，這也是層間剪切強度對孔隙相對敏感的原因。另外孔隙處是應力集中區，承載能力弱，當受力時，孔隙擴大形成長裂紋，從而遭到破壞。

即使兩種具有相同孔隙率的層壓板(在同一養護周期運用不同的預浸方法和製造方式)，它們也表現處完全不同的力學行為。力學性能隨孔隙率的增加而下降的具體數值不同，表現為孔隙率對力學性能的影響離散性大且重復性差。由於包含大量可變因素，孔隙對復合材料層壓板力學性能的影響是個很復雜的問題。這些因素包含：孔隙的形狀、尺寸、位置;纖維、基體和界面的力學性能;靜態或者動態的荷載。

相對於孔隙率和孔隙長寬比，孔隙尺寸、分布對力學性能的影響更大些。並發現大的孔隙(面積>0.03mm2)對力學性能有不利影響，這歸因於孔隙對層間富膠區的裂紋擴展的產生影響。

碳纖維兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特徵，是一種新的力學性能優異的新材料。碳纖維拉伸強度約為2到7GPa，拉伸模量約為200到700GPa。密度約為1.5到2.0克每立方厘米，這除與原絲結構有關外，主要決定於炭化處理的溫度。一般經過高溫3000℃石墨化處理，密度可達2.0克每立方厘。再加上它的重量很輕，它的比重比鋁還要輕，不到鋼的1/4，比強度是鐵的20倍。碳纖維的熱膨脹系數與其它纖維不同，它有各向異性的特點。碳纖維的比熱容一般為7.12。熱導率隨溫度升高而下降平行於纖維方向是負值(0.72到0.90)，而垂直於纖維方向是正值(32到22)。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關，在25℃時，高模量為775，高強度碳纖維為每厘米1500。這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強度和比模量。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有強度大、模量高、密度低、線膨脹系數小等特點，可以稱為新材料之王。

碳纖維除了具有一般碳素材料的特性外，其外形有顯著的各向異性柔軟，可加工成各種織物，又由於比重小，沿纖維軸方向表現出很高的強度，碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500兆帕以上，是鋼的7到9倍，抗拉彈性模量為230到430G帕亦高於鋼;因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000兆帕以上，而A3鋼的比強度僅為59兆帕左右，其比模量也比鋼高。與傳統的玻璃纖維相比，楊氏模量(指表徵在彈性限度內物質材料抗拉或抗壓的物理量)是玻璃纖維的3倍多;與凱夫拉纖維相比，不僅楊氏模量是其的2倍左右。碳纖維環氧樹脂層壓板的試驗表明，隨著孔隙率的增加，強度和模量均下降。孔隙率對層間剪切強度、彎曲強度、彎曲模量的影響非常大;拉伸強度隨著孔隙率的增加下降的相對慢一些;拉伸模量受孔隙率影響較小。

碳纖維還具有極好的纖度(纖度的表示法之一是9000米長纖維的克數)，一般僅約為19克，拉力高達300kg每微米。幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那麼多一系列的優異性能，因此在旨度、剛度、重度、疲勞特性等有嚴格要求的領域。在不接觸空氣和氧化劑時，碳纖維能夠耐受3000度以上的高溫，具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高於1500℃時強度才開始下降，而且溫度越高，纖維強度越大。碳纖維的徑向強度不如軸向強度，因而碳纖維忌徑向強力(即不能打結)而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。

所以綜合來講，碳纖維管具有強度高，壽命長、耐腐蝕，質量輕、低密度等優點。尺寸穩定、導電、導熱、熱膨脹系數小、自潤滑和吸能抗震等一系列優異性能。並具有高比模、耐疲勞、抗蠕變、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等。

而如今，碳纖維的應用也是非常的廣泛，除了我們已知的航空航天材料以及軍工產品外，在民用方面也是很豐富的。而碳纖維管更是與日常生活密不可分，得益於獨特的硬度與輕度，，廣泛應用於風箏、航空模型飛機、燈用支架、PC設備轉軸、蝕刻機、醫療器械、體育器材等機械設備，所以，如果您要選擇相關的產品，碳纖維製品絕對是比較好的選擇，不過也正是因為它優良的產品特性，價格不比其他產品。可小編認為，好的產品，優質的體驗，價格又何妨呢!

2. 碳纖維是什麼材料

• 01

  碳纖維是含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。具有耐高溫、抗摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性，外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由於其石墨微晶結構沿纖維軸擇優取向，因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。

  碳纖維是含碳量在90%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。耐高溫居所有化纖之首。用腈綸和粘膠纖維做原料，經高溫氧化碳化而成。是製造航天航空等高技術器材的優良材料。具有耐高溫、抗摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性 外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由於其石墨微晶結構沿纖維軸擇優取向，因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復合，製造先進復合材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是最高的。

  現代碳纖維工業化的路線是前驅纖維炭化工藝法，製造碳纖維用的原纖維名稱化學組分碳含量/%碳纖維收率/%黏膠纖維(C6H10O5)n4521～35聚丙烯腈纖維(C3H3N)n6840～55瀝青纖維C，H9580～90採用這3種原纖維製造炭纖維的流程都包括：穩定化處理(在200～400℃空氣，或用耐燃試劑等化學處理)，碳化(400～1400℃，氮氣)和石墨化(1800℃以上，氬氣氣氛下)。為了提高炭纖維與復合材料基質的粘接性能需進行表面處理、上漿、乾燥等工序。

  另一種製造碳纖維的方法是氣相生長法。將甲烷與氫的混合氣體在催化劑的存在下，於1000℃高溫下反應，可製得不連續的短切碳纖維，最大長度可達50 cm。其結構不同於聚丙烯腈基或瀝青基碳纖維，易石墨化，力學性能良好，導電性高，易形成層間化合物。

3. 航空板材碳纖維環氧樹脂與填充料配比比例

2比1。碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的四分之一，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度都在3500Mpa以上，航空板材碳纖維環氧樹脂與填充料配比比例為2比1。碳纖維增強環氧樹脂復合材料是指碳纖維材料和環氧樹脂材料在一起組合而成的新材料。

4. 碳纖維是由什麼材料製成

碳纖維是含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維是由碳元素組成的一種特種纖維。碳纖維具有耐高溫、抗摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是最高的。
碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復合，製造先進復合材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是最高的。
採用這3種原纖維製造炭纖維的流程都包括：穩定化處理（在200～400℃空氣，或用耐燃試劑等化學處理），碳化（400～1400℃，氮氣）和石墨化（1800℃以上，氬氣氣氛下）。為了提高炭纖維與復合材料基質的粘接性能需進行表面處理、上漿、乾燥等工序。
另一種製造碳纖維的方法是氣相生長法。將甲烷與氫的混合氣體在催化劑的存在下，於1000℃高溫下反應，可製得不連續的短切碳纖維，最大長度可達50cm。其結構不同於聚丙烯腈基或瀝青基碳纖維，易石墨化，力學性能良好，導電性高，易形成層間化合物。

5. 怎麼做碳纖維加固

• 視頻教程：http://www.iqiyi.com/w_19rsxqod7h.html

• 工藝原理

將抗拉強度極高的碳纖維用環氧樹脂預浸成為復合增強材料（單向連續纖維）；用環氧樹脂粘結劑沿受拉方向或垂直於裂縫方向粘貼在要補強的結構上，形成一個新的復合體，使增強粘貼材料與原有鋼筋混凝土共同受力增大結構的抗裂或抗剪能力，提高結構的強度、剛度、抗裂性和延伸性。

• 工藝流程

工藝流程可以歸納為：

施工准備

砼表面處理

塗刷底膠

構件表面殘缺面修補

粘貼碳纖維

表面養護

找平材料配置

底層或樹脂配製

浸漬樹脂配製

工藝流程可以歸納為：

施工准備

砼表面處理

塗刷底膠

構件表面殘缺面修補

粘貼碳纖維

表面養護

找平材料配置

底層或樹脂配製

浸漬樹脂配製

6. 碳纖維怎麼塑型

碳纖維不可以塑型，碳纖維由碳元素組成的一種特種纖維。具有耐高溫、抗摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性 外形呈纖維狀、柔軟，所以不具有可塑性。

碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復合，製造先進復合材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是最高的。

(6)碳纖維增強環氧樹脂制備方法擴展閱讀：

碳纖維的發展和應用：

20世紀90年代初，高性能及超高性能炭纖維已問世，預料今後工作將致力於完善工藝、擴大生產、降低成本和開發應用。

一些特種炭纖維，如抗氧化炭纖維、低纖度炭纖維、高導熱低電阻炭纖維、低熱膨脹系數炭纖維，中空炭纖維和活性炭纖維，隨著科學及工程的發展會有很大發展。氣相生長炭纖維近期內在穩定工藝 ，連續化生產方面會有明顯進展，工業化生產的日期預料不會太遠。

參考資料來源：網路—碳纖維

7. 黃遠的發表文章、專利、專著（代表作）

離散變分法在氫擴散研究中的應用, 2005, 天津大學學報,38: 28-32.
天然細菌纖維素增強不飽和聚酯樹脂復合材料的制備及性能, 2008，復合材料學報，25（6）：140-145.
碳/環氧樹脂復合材料吸濕水份濃度場的有限元分析，2007，兵器材料科學與工程，30（4）：5-9.
碳纖維增強環氧樹脂基復合材料濕熱殘余應力的微Raman光譜測試表徵, 2009，復合材料學報，26（4）：22-28.
碳纖維/環氧樹脂單向復合材料的吸濕殘余應力研究，2009，航空材料學報，29（4）：57-62.
航天器太陽能電池陣互連片鉬箔無氰電鍍銀工藝,2009, 金屬熱處理, 34（7）: 69- 74.

8. 什麼是碳纖維增強環氧樹脂復合材料

碳纖維增強環氧樹來脂復合材料是指源碳纖維材料和環氧樹脂材料在一起組合而成的新材料，比如悍馬預應力碳纖維板就是碳纖維復合材料，用於建築中的預應力加固。比如悍馬碳纖維布配合碳纖維膠使用，組成的碳纖維復合材料加固房屋建築、橋梁，隧道等。

9. 碳纖維簡介

碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維「外柔內剛」，質量比金屬鋁輕，但強度卻高於鋼鐵，並且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本徵特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。[1-4]
碳纖維具有許多優良性能，碳纖維的軸向強度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導電性介於非金屬和金屬之間，熱膨脹系數小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性好等。
碳纖維與傳統的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱夫拉纖維相比，楊氏模量是其2倍左右，在有機溶劑、酸、鹼中不溶不脹，耐蝕性突出。

(1) 組成結構
碳纖維是含碳量高於90%的無機高分子纖維。其中含碳量高於99%的稱石墨纖維。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。[5] 碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A，各平行層面間的各個碳原子，排列不如石墨那樣規整，層與層之間借范德華力連接在一起。[6]
通常也把碳纖維的結構看成由兩維有序的結晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。[7]
當孔隙率低於某個臨界值時，孔隙率對碳纖維復合材料的層間剪切強度、彎曲強度和拉伸強度無明顯的影響。有些研究指出，引起材料力學性能下降的臨界孔隙率是1%-4%。孔隙體積含量在0-4%范圍內時，孔隙體積含量每增加1%，層間剪切強度大約降低7%。通過對碳纖維環氧樹脂和碳纖維雙馬來亞胺樹脂層壓板的研究看出，當孔隙率超過0.9%時，層間剪切強度開始下降。由試驗得知，孔隙主要分布在纖維束之間和層間界面處。並且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，並顯著降低了層合板中層間界面的面積。當材料受力時，易沿層間破壞，這也是層間剪切強度對孔隙相對敏感的原因。另外孔隙處是應力集中區，承載能力弱，當受力時，孔隙擴大形成長裂紋，從而遭到破壞。[8]
即使兩種具有相同孔隙率的層壓板（在同一養護周期運用不同的預浸方法和製造方式），它們也表現處完全不同的力學行為。力學性能隨孔隙率的增加而下降的具體數值不同，表現為孔隙率對力學性能的影響離散性大且重復性差。由於包含大量可變因素，孔隙對復合材料層壓板力學性能的影響是個很復雜的問題。這些因素包含：孔隙的形狀、尺寸、位置；纖維、基體和界面的力學性能；靜態或者動態的荷載。[8]
相對於孔隙率和孔隙長寬比，孔隙尺寸、分布對力學性能的影響更大些。並發現大的孔隙（面積>0.03mm2）對力學性能有不利影響，這歸因於孔隙對層間富膠區的裂紋擴展的產生影響。[8]

(2)
物理性質
碳纖維兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特徵，
碳纖維
是一種的力學性能優異的新材料。碳纖維拉伸強度約為2到7GPa，拉伸模量約為200到700GPa。密度約為1.5到2.0克每立方厘米，這除與原絲結構有關外，主要決定於炭化處理的溫度。一般經過高溫3000℃石墨化處理，密度可達2.0克每立方厘。再加上它的重量很輕，它的比重比鋁還要輕，不到鋼的1/4，比強度是鐵的20倍。碳纖維的熱膨脹系數與其它纖維不同，它有各向異性的特點。碳纖維的比熱容一般為7.12。熱導率隨溫度升高而下降平行於纖維方向是負值（0.72到0.90），而垂直於纖維方向是正值（32到22）。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關，在25℃時，高模量為775，高強度碳纖維為每厘米1500。這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強度和比模量。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有強度大、模量高、密度低、線膨脹系數小等特點，可以稱為新材料之王。[3] [9-11]
碳纖維除了具有一般碳素材料的特性外，
碳纖維編織布[12]
其外形有顯著的各向異性柔軟，可加工成各種織物，又由於比重小， 沿纖維軸方向表現出很高的強度，碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。[11] 碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500兆帕以上，是鋼的7到9倍，抗拉彈性模量為230到430G帕亦高於鋼；因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000兆帕以上，而A3鋼的比強度僅為59兆帕左右，其比模量也比鋼高。與傳統的玻璃纖維相比，楊氏模量（指表徵在彈性限度內物質材料抗拉或抗壓的物理量）是玻璃纖維的3倍多；與凱芙拉纖維相比，不僅楊氏模量是其的2倍左右。碳纖維環氧樹脂層壓板的試驗表明，隨著孔隙率的增加，強度和模量均下降。孔隙率對層間剪切強度、彎曲強度、彎曲模量的影響非常大；拉伸強度隨著孔隙率的增加下降的相對慢一些；拉伸模量受孔隙率影響較小。[8]
碳纖維還具有極好的纖度（纖度的表示法之一是9000米長纖維的克數），一般僅約為19克，拉力高達300kg每微米。幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那麼多一系列的優異性能， 因此在旨度、剛度、重度、疲勞特性等有嚴格要求的領域。在不接觸空氣和氧化劑時，碳纖維能夠耐受3000度以上的高溫，具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高於1500℃時強度才開始下降，而且溫度越高，纖維強度越大。碳纖維的徑向強度不如軸向強度，因而碳纖維忌徑向強力（即不能打結）而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。[3] [9] [13]
化學性質
碳纖維的化學性質與碳相識，它除能被強氧化劑氧化外，對一般鹼性是惰性的。在空氣中溫度高於400℃時則出現明顯的氧化，生成CO與CO2。[6-7] 碳纖維對一般的有機溶劑、酸、鹼都具有良好的耐腐蝕性，不溶不脹，耐蝕性出類拔萃，完全不存在生銹的問題。[11] 有學者在1981年將PAN基碳纖維浸泡在強鹼氫氧化鈉溶液中，時間已過去30多年，它仍保持纖維形態。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發生氧化，碳纖維的電動勢為正值，而鋁合金的電動勢為負值。當碳纖維復合材料與與鋁合金組合應用時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。因此，碳纖維在使用前須進行表面處理。[4] 碳纖維還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和減速中子等特性[3] [9] [13] 。

(3)分類

碳纖維按原料來源可分為聚丙烯腈基碳纖維、
1K碳纖製作的管
瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維；按性能可分為通用型、高強型、中模高強型、高模型和超高模型碳纖維；按狀態分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強度為1000兆帕、模量為100G帕左右。高性能型碳纖維又分為高強型（強度2000兆帕、模量250G帕）和高模型（模量300G帕以上）。強度大於4000兆帕的又稱為超高強型；模量大於450G帕的稱為超高模型。隨著航天和航空工業的發展，還出現了高強高伸型碳纖維，其延伸率大於2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。[14] 市場上90%以上碳纖維以PAN基碳纖維為主。由於碳纖維神秘的面紗尚未完全揭開，人們還不能直接用碳或石墨來製取，只能採用一些含碳的有機纖維（如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等）為原料，將有機纖維與塑料樹脂結合在一起炭化製得碳纖維。[4] [15-17]
PAN基碳纖維
PAN基碳纖維的生產工藝主要包括原絲生產和原絲碳化兩個過程:首先通過丙烯腈聚合和紡紗等一系列工藝加工成被稱為「母體「的聚丙烯腈纖維或原絲， 將這些原絲放入氧化爐中在200到300℃進行氧化，還要在碳化爐中，在溫度為1000到2000℃下進行碳化等工序製成碳纖維。[18] [19]
瀝青基碳纖維
美國發明了紡織瀝青基碳纖維用的含有基金屬中間相瀝青，原絲經穩定化和碳化後，碳纖維的拉伸強度為3.5G帕，模量為252G帕；法國研製了耐熱和高導電的中間相瀝青基碳纖維；波蘭開發了新型金屬塗覆碳纖維的方法，例如塗覆銅的瀝青基碳纖維是用混合法製成，先用銅鹽與各向同性煤瀝青混勻，進行離心紡絲，在空氣中穩定化並在高溫氫氣中處理，得到合金銅的碳纖維。 世界瀝青基碳纖維的生產能力較小，國內瀝青基碳纖維的研究和開發較早，但在開發、生產及應用方面與國外相比有較大的差距。[19-20]
碳纖維按產品規格的不同被劃分為宇航級和工業級兩類，亦稱為小絲束和大絲束。通常把48K以上碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括360K和480K等。宇航級碳纖維初期以3K為主，逐漸發展為12K和24K，主要應用於國防軍工和高技術，以及體育休閑用品，像飛機、導彈、火箭、衛星和釣魚桿、球桿球拍

(4) 制備方式

工業化生產碳纖維按原料路線可分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維

、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，但主要生產前兩種碳纖維。由粘膠纖維製取高力學性能的碳纖維必須經高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術難度大，設備復雜，原料豐富碳化收率高，但因原料調制復雜、產品性能較低，亦未得到大規模發展；由聚丙烯腈纖維原絲製得的高性能碳纖維，其生產工藝較其他方法簡單，產量約佔全球碳纖維總產量的90%以上。[18] [22-23]
工藝流程
碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經碳化製得。應用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。碳纖維的製造包括纖維紡絲、熱穩定化（預氧化）、碳化、石墨化等4個過程。其間伴隨的化學變化包括，脫氫、環化、預氧化、氧化及脫氧等。[22-23]
從粘膠纖維製取高力學性能的碳纖維必須經高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術難度大、設備復雜，產品主要為耐燒蝕材料及隔熱材料所用；由瀝青製取碳纖維，原料來源豐富，碳化收率高，但因原料調制復雜、產品性能較低，亦未得到大規模發展；由聚丙烯腈纖維原絲可製得高性能的碳纖維，其生產工藝較其它方法簡單力學性能優良，自20世紀60年代後在碳纖維工業發展良好。[19]
聚丙烯腈基碳纖維的生產主要包括原絲生產和原絲碳化兩個過程。[19] [21]
原絲生產過程主要包括聚合、脫泡、計量、噴絲、牽引、水洗、上油、烘乾收絲等工序。[19] [21]
碳化過程主要包括放絲、預氧化、低溫碳化、高溫碳化、表面處理、上漿烘乾、收絲卷繞等工序。[19] [21]
PAN基碳纖維的制備
聚丙烯腈碳纖維是以聚丙烯腈纖維為原料製成的碳纖維，主要作復合材料用增強體。無論均聚或共聚的聚丙烯腈纖維都能制備出碳纖維。為了製造出高性能碳纖維並提高生產率，工業上常採用共聚聚丙烯腈纖維為原料。對原料的要求是：雜質、缺陷少；細度均勻，並越細越好；強度高，毛絲少；纖維中鏈狀分子沿纖維軸取向度越高越好，通常大於80%；熱轉化性能好。[6] [24]
生產中製取聚丙烯腈纖維的過程是：先由丙烯腈和其他少量第二、第三單體（丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等）共聚生成共聚聚丙烯腈樹脂（分子量高於 6到8萬），然後樹脂經溶劑（硫氰酸鈉、二甲基亞礬、硝酸和氯化鋅等）溶解，形成粘度適宜的紡絲液，經濕法、干法或干濕法進行紡絲，再經水洗、牽伸、乾燥和熱定型即製成聚丙烯腈纖維。若將聚丙烯腈纖維直接加熱易熔化，不能保持其原來的纖維狀態。制備碳纖維時，首先要將聚丙烯腈纖維放在空氣中或其他氧化性氣氛中進行低溫熱處理，即預氧化處理。預氧化處理是纖維碳化的預備階段。一般將纖維在空氣下加熱至約270℃，保溫0.5h到3h，聚丙烯腈纖維的顏色由白色逐漸變成黃色、棕色，最後形成黑色的預氧化纖維。是聚丙烯腈線性高分子受熱氧化後，發生氧化、熱解、交聯、環化等一系列化學反應形成耐熱梯型高分子的結果。再將預氧化纖維在氮氣中進行高溫處理1600℃的碳化處理，則纖維進一步產生交聯環化、芳構化及縮聚等反應，並脫除氫、氮、氧原子，最後形成二維碳環平面網狀結構和層片粗糙平行的亂層石墨結構的碳纖維。[7] [24]
由PAN原絲制備碳纖維的工藝流程如下：PAN原絲→預氧化→碳化→石墨化→表面處理→卷取→碳纖維。[7] [24]
第一、原絲制備，聚丙烯腈和粘膠原絲主要採用濕法紡絲製得，瀝青和酚醛原絲則採用熔體紡絲製得。制備高性能聚丙烯腈基碳纖維需採用高純度、高強度和質量均勻的聚丙烯腈原絲，制備原絲用的共聚單體為衣康酸等。制備各向異性的高性能瀝青基碳纖維需先將瀝青預處理成中間相、預中間相（苯可溶各向異性瀝青）和潛在中間相（喹啉可溶各向異性瀝青）等。作為燒蝕材料用的粘膠基碳纖維，其原絲要求不含鹼金屬離子。[22] [25]
第二、預氧化（聚丙烯腈纖維200到300℃）、不融化（瀝青200到400℃）或熱處理（粘膠纖維240℃），以得到耐熱和不熔的纖維，酚醛基碳纖維無此工序。[22] [25]
第三、碳化，其溫度為：聚丙烯腈纖維1000到1500℃，瀝青1500到1700℃，粘膠纖維400到2000℃。[22] [25]
第四、石墨化，聚丙烯腈纖維為2500到3000℃，瀝青2500到2800℃，粘膠纖維3000到3200℃。[22] [25]
第五、表面處理，進行氣相或液相氧化等，賦予纖維化學活性，以增大對樹脂的親和性。[22] [25]
第六、上漿處理，防止纖維損傷，提高與樹脂母體的親和性。所得纖維具有各種不同的斷面結構。[22] [25]
技術要點
要想得到質量好碳纖維，需要注意一下技術要點：
（1）實現原絲高純化、高強化、緻密化以及表面光潔無暇是制備高性能碳纖維的首要任務。碳纖維系統工程需從原絲的聚合單體開始。原絲質量既決定了碳纖維的性質，又制約其生產成本。優質PAN原絲是製造高性能碳纖維的首要必備條件。[22]
（2）雜質缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強度的根本措施，也是科技工作者研究的熱門課題。在某種意義上說，提高強度的過程實質上就是減少、減小缺陷的過程。[22]
（3）在預氧化過程中，保證均質化的前提下，盡可能縮短預氧化時間。這是降低生產成本的方向性課題。
（4）研究高溫技術和高溫設備以及相關的重要構件。高溫炭化溫度一般在1300到1800℃，石墨化一般在2500到3000℃。在如此高的溫度下操作，既要連續運行、又要提高設備的使用壽命，所以研究新一代高溫技術和高溫設備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護、無氧狀態下進行的微波、等離子和感應加熱等技術。[22]