碳纤维资料总结.docx

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碳纤维资料总结

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LT

复合材料。

电动汽车所用车载燃料电池也大量使用碳纤维纸等碳石墨材料。

德国西格里（SGL）与宝马（BMW）集团将组建合资企业，专门生产车用碳纤维及其织物，用于新的宝马车型，使其轻量化。

（3）海洋油田。

本领域将是碳纤维复合材料最大的潜在市场。

为什么？

原因1：

陆地上的开采可使用钢材，而海水对钢材的腐蚀十分严重，使用寿命大大减短。

原因2：

钢材的密度大（7.8g/cm3），在海洋中需要大量的浮力，以防下沉（特别针对3000m深海油田），使用碳纤维复合材料比较合理。

（4）风力发电。

制造3MW以上的大功率风电机组，叶片长度需在40m以上，需用轻而强、刚而硬的碳纤维复合材料制造，需用大量的碳纤维。

（5）碳纤维复合芯电缆。

这种电缆（ACCC）已成功研制并得到实际应用，逐步取代钢芯铝铰电缆（ACRS）。

ACCC的特点是重量轻、强度高，可提高传送容量和降低损耗，同时弛度小，可减少塔杆数和节约用地。

（6）基础设施和土木建筑。

公路、高速公路和铁路桥梁的维修和增强加固的措施之一就是使用碳纤维复合材料。

二、聚丙烯腈纤维（PAN原丝）

1.聚丙烯腈的晶态及其多重结构：

1.1聚丙烯腈的晶胞及构象：

聚丙烯晴（PAN）具有强极性氰基[-C≡N-]，赋予其结构和性能具有独特的个性。

在PAN的氰基中，氮原子的电负性大于碳原子，使氰基中碳原子与氮原子之间的电子云向氮原子一侧偏移，使氮原子呈现出电负性，而碳原子呈现出电正性。

所以，把氰基成为偶极子。

由于诱导引发作用使与氰基相连的主链上的碳原子与氰基的碳原子之间的电子云偏向氰基的碳原子，形成极性较强的偶极矩。

对于氰基，偶极矩μ为3.4D（1D=3.34×10-30C·m），是典型的强极性基团。

在同一大分子链上，由于氰基的极性相同，彼此排斥；在斥力作用下使氰基按一定的角度沿C轴（化学键连接的碳主链）螺旋排列，呈现出僵硬的对称的圆棒体。

这就是PAN的一级结构单元，即分子链棒状构象。

这种分子链圆棒的直径约为0.6nm左右，长度约为10~100nm；在大分子链之间相互吸引力的作用几根至几十根彼此平行紧密排列而形成紧密的晶区，紊乱堆砌的大分子链形成了无序的非晶区。

1.2聚丙烯腈的球晶及其多重结构：

目前，生产高性能的PAN原丝用均相溶液聚合一步法。

在搅拌聚合的条件下，实现高速的转化率（DMSO溶剂为95%左右，DMF溶剂为50%左右），得到高浓度（质量分数20%左右）的聚合纺丝液，容易生成球晶（spherulite）。

球晶的生长过程可分为成核和生长两个阶段，即在均相成核初期，以大分子链为晶核，随之生长为细长的原纤（fibril），再向发射状生长，并在小角度方向成为延长的新生长点，链的生长直至链的终止，再经捆束形式而形成球状外形，即球晶。

捆束状可能是由于平行排列的原纤之间存在范德华力所致，而在捆绑束的两端是链生长的活性点，迅速的链生长、链分枝而形成球形。

球形的表面能最低，使其处于稳定状态。

原纤当然也会有其他状态，如辐射状态、葱皮结构。

这些取决于聚合条件及聚合组成。

下表为原纤的多重结构。

（A=0.1nm）

1.3聚丙烯腈的构型：

在聚丙烯腈大分子链上，具有不对称的碳原子，标记为

，即

呈现出两种互成镜像的不同构型。

构型有两种，一是分子链构型，二是空间立构型。

前者是指相同组成的分子中原子以不同序列连接，后者则是有相同原子序列连接而具有不同空间排列。

根据Fischer投影法来分类，则会出现三种空间构型，即：

（1）全同立构（isotactic）在相邻结构单元中同一种取代基全部排列在主链线（或平面）的同一侧；

（2）间同立构（syndiotactic）在相邻结构单元中同一种取代基有规律性地排列在主链线的两侧；

（3）无规立构（atactic）在相邻结构单元中同一种取代基无规则地排列在主链线的两侧。

2.聚合：

丙烯腈的聚合属于自由基加聚反应。

主要聚合方法可分为悬浮（suspension）、乳液（emulsion）和溶液法（solution）。

溶液法又分为均相溶液聚合法和非均相溶液聚合法。

均相溶液聚合法是指溶剂既是聚合单体的良溶剂，又是聚合物PAN的良溶剂。

这种聚合液不需要分离就可直接用来纺丝，称为一步法。

非均相溶液聚合的特点是溶剂仅是聚合单体的良溶剂，而是PAN的不良溶剂；在聚合的过程中产生相分离，聚合物PAN沉淀出来，经分离、干燥后，再溶于良溶剂中得到纺丝液，再纺成纤维，称为两步法。

显然：

一步法工艺先进，流程短，不仅大大降低生产成本，而且避免了繁琐的两步法过程中引入杂质的概率。

目前，国内外高性能的原丝生产均采用均相溶液聚合一步法。

一步法的溶剂分为有机溶剂或无机溶剂两大类。

三、碳纤维的性质：

碳纤维和石墨纤维均具有优异的性能：

——碳纤维及石墨纤维/贺福编著.—北京：

化学工业出版社，2010.7

1.密度小（1.7~2.0g/cm3）,质量轻，制成的构件减轻效果十分明显。

2.拉伸强度高（3~7GPa）,比强度高。

3.拉伸模量高（200~650GPa）,比模量高。

4.耐疲劳，疲劳强度高；抗蠕变，使用寿命长。

5.耐磨损，具有优异的自润滑性。

6.具有优异的震动衰减性，阻尼性能优异。

7.热膨胀系数小（0~1.1×10-6/K）,尺寸非常稳定。

8.热导率好[10~160W/（m·K）],比热导率更高。

9.在惰性环境中的耐热性十分优异（2000~3000℃）；在氧化气氛中只损耗，不熔融。

10.耐腐蚀，适应环境性强。

11.不生锈，不锈蚀，试验寿命长。

12.与生物相容性好。

13.导电（17~5μΩ·m）,是非金属材料的良导体。

14.具有屏蔽电磁波特性（EMI）。

15.X射线透过性好，吸收小。

16.柔软可编，后加工性好。

17.各向异性，设计自由度大。

四、碳纤维的测定：

1.Raman光谱研究碳纤维结构的多相性：

拉曼光谱属于散射光谱。

分析基于光源激光束照射到试样时产生的散射现象，即与入射光频率不同的散射光谱。

组成物质的分子或原子不同，其振动、转动不同，因而产生的散射光谱也不同。

物质分子引发的拉曼散射可用量子力学来解释，即频率为νo入射光可视为具有能量为ℎνo的光子。

当入射光照射到样品时，绝大数光可透过样品，仅有0.1%左右的入射光与试样发生非弹性碰撞而产生拉曼光散射光谱。

根据能量守恒定律，则有以下公式，即

ℎνo+Εo=ℎν+ΕΔΕ=Ε−Εo=ℎ（νo−ν）=ℎΔν

其中：

ΔΕ是分子发生非弹性碰撞前后的能量差；Δν是相应的拉曼光谱频率的位移（拉曼频移）。

拉曼频移Δν大小与入射光的频率νo无关，只与分子的能级结构有关。

这也就是说，拉曼频移是分子的振动频率或转动频率。

不同物质分子具有不同的能级结构，因而具有不同的拉曼频移Δν、拉曼线谱数目和拉曼相对强度。