碳纖維新材料研究進(jìn)展

PAN系碳纖維材料

PAN系碳纖維的結構[10]就如同聚合纖維前軀體的基礎結構一樣，在本質(zhì)上是纖維絲狀的而PAN系碳纖維的模數在其橫截面上則是呈現變化性的。在一個(gè)最近的研究中，Huang 及Young[11]使用拉曼光譜證實(shí)了在PAN系碳纖維中的這種表面核心的結構性差異。另外，Johnson[12]發(fā)現在纖維較外層的微晶之間有針狀空隙存在，而且在此區域內之平面層基本上會(huì )平行于表面然而在核心區域平面層卻呈現大量的褶皺。PAN系碳纖維內包含許多皺褶及連結的混亂堆疊碳層其層間距離比石墨要大很多。

核心提示：碳纖維可能是最近 35 年來(lái)被商業(yè)化的碳制品中最成功的一項。對于其研究至今仍在火熱進(jìn)行中，而碳纖維更進(jìn)一步在熱處理方面發(fā)展出新的應用類(lèi)型。

碳纖維可能是最近 35 年來(lái)被商業(yè)化的碳制品中最成功的一項。對于其研究至今仍在火熱進(jìn)行中，而碳纖維更進(jìn)一步在熱處理方面發(fā)展出新的應用類(lèi)型。同其他的制品商業(yè)化的碳纖維表現出一致性的機械及傳輸性質(zhì)，而且由于對每一種應用的最佳性質(zhì)或許會(huì )有所不同，因此自從 1960 年代英國的Union Carbide 公司首次將高性能碳纖維商業(yè)化后關(guān)于碳纖維本身微結構的控制以及其結構與性質(zhì)間之關(guān)聯(lián)性便廣為各界研究。

因此PAN系碳纖維具有低的石墨化程度，PAN系碳纖維內的亂層結構與 PAN 原纖的微纖結構相似。雖然這些微纖內的石墨亂層傾向于平行排列于纖維軸，但卻不是高度的排成一直線(xiàn)。

幾乎所有的工業(yè)用纖維都是由以下三種技術(shù)制造而成：熔融紡絲、濕式紡絲、干式紡絲。以上三種方法中由于熔融紡絲法是直接將純的前軀體轉變成纖維狀而不會(huì )摻有額外的溶劑，因此可降低溶劑回收的花費問(wèn)題，所以一般皆較喜愛(ài)使用此法為制程。然而若前軀體在熔點(diǎn)溫度附近有裂化現象就必須采用干式或濕式紡絲法[13]。其反應歷程: PAN前軀體的制作→PAN纖維前軀體的制作→PAN纖維前軀體之穩定化 →穩定處理后PAN纖維之碳化。

1    碳纖維材料簡(jiǎn)介

碳纖維是一種纖維狀碳材料。它是由有機纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。纖維中含碳量在95%左右的碳纖維和含碳量在99%左右的石墨纖維。它是一種強度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼耐腐蝕性強、比耐熱鋼耐高溫、又能像銅那樣導電，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料。[6]

1.1  碳纖維的歷史

碳纖維的起源 1860年，英國人瑟夫·斯旺將細長(cháng)的繩狀紙片碳化制取碳絲，以此制作電燈的燈絲。大約在1879年，他把棉紗浸入硫酸，焦干處理，然后碳化，或將硝化纖維素從膜孔中擠出成絲，然后在碳化，并獲得專(zhuān)利。由于當時(shí)解決不了燈泡的真空問(wèn)題，所以沒(méi)有實(shí)用化意義。但是，碳絲的起源或溯源點(diǎn)應該是從他開(kāi)始的。[3]