碳纤维_在线百科全书查询
碳纤维
碳纤维（carbon fiber），顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。
成分结构
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。
综观多种新兴的复合材料（如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。
化学性质
碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。
制备
碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。
目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。
强伸性能测试
概述：
由于原料、模量、强度和最后的热处理温度不同，产生了特性不同的碳纤维，前者硬而脆的常用于复合材料，软而柔顺的常用于纺织；后者多被用于工程用料。由于碳纤维的应用越来越多兼之其特性，碳纤维强力拉伸性能测试的紧迫性摆在了我们面前。强伸性能试验属于破坏性的，试验完毕试样没有可恢复性，又因为碳纤维分离成为单纤维以后非常脆弱，因此在每次试验过程中，需要细心、耐心，试验前不要对试样造成损伤。一般试验需要得到的技术指标是CV值、平均值等。
测试与标准：
碳纤维的拉伸性能测试分单丝法和复丝法。
下面首先对于单丝法拉伸予以描述：碳纤维分离成为单纤维以后非常脆弱，剪切强度很低，稍有不慎就会断裂，因此在每次试验过程中，需要细心、耐心，不要对试样造成损伤。国际标准ISO11566《碳纤维 单纤试样的测定》和日标JIS R7601《碳纤维试验方法》指出了采用纸框法固定试样，当然也不排除其他方法。中国的方法标准正在制定中，但是，检测方面的论述已经有很多：苏州经贸职业技术学院、曲阜师范大学的张小英、张斌在2007年《纺织标准与质量》发表了《碳纤维拉伸性能的测试方法》，《纺织实验技术》（中国纺织出版社）《实验十五 碳纤维强伸性能测试》等文章。单纤维强伸性能试验要采用能测试碳纤维的高强高模纤维强力仪，因碳纤维属于高强高模纤维，强力仪的夹持器质量好坏对纤维强伸度测试结果的准确性极为重要，要求既能夹紧纤维试样在拉伸试验中不打滑，又不因夹持力过大而损伤纤维。早期生产的电子强力仪采用手工夹持器（如LLY-06型强力仪），用人工拧紧螺丝夹紧纤维试样，夹持力难以控制，为防止试样打滑往往手工操作夹持力过大，造成夹持器钳口处应力过分集中，测试结果强力和伸长偏低，对纤维质量正确评定带来不利结果。高强高模纤维强力仪采用气动夹持器（如XQ-1C型强力仪），夹持力恒定并可通过气压的调节控制，减小了操作人员对测试结果的影响，测试结果准确稳定, 如CRE型碳纤维强力机（LLY-06E型电子碳纤维强力仪外观如图1所示）。
试样制备：
纸框法固定试样，剪取适当长度的该碳纤维试验样品，用钢针沿着纤维方向将其分离，使试验样品蓬松便于抽取。用取样盘来盛取试样，为保证测得结果的准确性，不能对碳纤维造成任何损伤。采用国外标准制作衬纸很麻烦，在试验过程中有人用电脑制图找到一个简单易行的方法。取0.1mm左右厚的打印纸做基片；按图1尺寸用Word制图，划出一个尺寸合适的框，复制满A4纸打印（图2是25mm隔距拉伸尺寸。若50mm隔距拉伸时，裁切线的长度应增加一倍）；直尺放与裁切线吻合后用刀片沿裁切线将实线部分裁除，然后两端贴上5mm宽的双面胶纸；抽取分离的单根碳纤维试验样品，沿中心虚线放上，并用双面胶纸固定。也可以用融化后的松香，将单根碳纤维 “焊接”在纸框上，其“焊点”起到固定单根碳纤维的作用（试验证明：采用“焊接”方式没有双面胶纸固定方式好用，而且夹持试样时要离开“焊点”）；再用8～10mm宽的纸条，沿着裁切线宽度方向覆盖双面胶纸和试验样品端头，沿剪切线剪切，分离成固定在单个纸框上的待测试样。注意：碳纤维的取样比较困难，尤其处理后的碳纤维，很细，也很难分辨是一根还是两根，根据实验中曲线对比进行判断如果记录下的曲线斜率明显大于其他试样的很有可能是两根纤维，必要时可以用放大镜配合取样。
测试：
测试程序与仪器型号有关系。不同仪器型号其测试过程不同。下面分别用两种LLY-06E、LLY-06型单纤维强力仪的操作过程加以说明。打开仪器电源开关，设定操作程序，根据试验要求设定所需隔距，例如：25mm、50mm。
按试验要求设定试验拉伸速度（1～5）mm/min，本实验取：2mm/min，如果采用松香固定试样时，上、下夹持器夹持试样时要离开“焊点”，以免试样脱落和断裂。
被测试样的一端夹持在电子式碳纤维强力仪的上夹持器上，试样另一端夹持在下夹持器上。采用恒定的拉伸速度拉伸试样，直至试样断裂。记录单次值的断裂强力和断裂伸长等技术指标，试验结束后仪器自动给出所有技术指标的统计值。和PC机联机可获得实时曲线，便于分析技术数据。
1气动夹紧的拉伸试验（LLY-06E型）
将上述准备好的待测试样一端沿着裁切线宽度边缘，用上夹持器夹紧，另一端沿着裁切线宽度边缘被下夹持器夹紧，并将夹紧的待测试样两侧剪断，按“拉伸”，使下夹持器下行，试样断裂后，下夹持器自动返回。重复测试过程，做完设定次数。仪器会在试验过程中自动打印试验记录。由于夹持器没有直接夹持试样，减少了试样断裂在钳口的概率。该测试适用于气动夹紧夹持器的仪器。
如需联机，应在开启电源前接好PC接口，开启电脑、启动程序，根据要求设定数据，然后点击“实验”进入试验状态。
2手动夹持器夹紧的直接拉伸试验（LLY-06型）
由于社会上手动夹持、通用的单纤维强力仪较多，有人曾经在上面做过大量试验。这一类单纤维强力仪的夹持器不适合衬纸固定试样，只有用传统方式夹持拉伸，实践证明：只要仪器技术达标，虽然未曾拉伸断试样的概率比较高，细心一些也可以作，但是手法很重要。
将上夹持器取下平放在衬垫上，把一束碳纤维试验样品放在夹持器左前方；右手向右抽取一根碳纤维，左手推动夹持器（注：右手不动），配合碳纤维导入夹持器钳口内适当的长度，右手脱开试样，左手旋紧夹持器。
左手把夹持器挂在传感器的吊钩上，这时试样呈自然悬垂状态，右手轻轻将碳纤维导入下夹持器内，左手将下夹持器旋紧；按“拉伸”键下夹持器开始下行，试样断裂后下夹持器自动返回。重复此过程以完成设定次数，仪器会在试验过程中自动打印试验记录。在实验中，如果试样经常断裂在钳口，可以考虑在钳口包覆一层衬垫。
需要指出的是：属于不加预张力的拉伸，预张力夹会使试样未曾拉伸先断裂，致使夹持试样失败。
结论：
从测得数据来看出了单根碳纤维的特性：断裂强力比较小，断裂伸长率很小，拉伸曲线呈线性，屈服点和断裂点几乎吻合，图3是碳纤维单丝拉伸曲线。
应用领域
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。1994年至2002年左右，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。现在国内已经有使用长纤碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处。同时，碳纤维发热产品，碳纤维采暖产品，碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭。
碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。以前，以美国为首的巴黎统筹委员会(COCOM)， 对当时的社会主义国家实行禁运封锁政策，1994年3月，COCOM虽然已解散，但禁运封锁的阴影仍笼罩在上空，先进的碳纤维技术仍引不进来，特别是高性能PAN基原丝技术，即使中国进入WTO，形势也不会发生大的变化。因此，除了国人继续自力更生发展碳纤维工业外，别无其它选择。因此，国外尤其是碳纤维生产技术领先的日韩等国对中国的碳纤维材料及制品的出口一直保持相当谨慎的态度，只有为数很少的中国企业能够与其建立合作关系，拥有其产品的进口渠道。
碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天等领域。
产业现状
目前世界碳纤维产量达到4万吨/年以上，全世界主要是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德国SGL西格里集团，韩国泰光产业，中国台湾省的台塑集团，等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。
目前，在祖国大陆还没有一个年产100t的规模化碳纤维工厂，大多还处于中试放大阶段。值得一提的是中国台湾省的台塑集团，在80代年中期从美国Hitco公司引进百吨级碳纤维生产线，经消化、吸收和配套后得到迅速发展，台塑产量增加很快，但碳纤维质量的提高幅度并不大。
碳纤维的生产工艺主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程。目前，中国碳纤维发展的“瓶颈”在于原丝生产技术。原丝占总成本的 50%-65%。原丝制约着碳纤维的生产成本和市场竞争能力。
国产发展
中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨/年原丝、200吨/年PAN基碳纤维（只有东丽碳纤维T300水平），使中国碳纤维工业进入了产业化。随后，一些厂家相继加入碳纤维生产行列。据不完全统计，目前，中国已有12家生产规模大小不一（5～800吨/年）的PAN基碳纤维生产厂家，合计生产能力为1310吨/年，产品规格为1K、3K、6K、12K。但由于一些企业没有原丝可烧，实际国内碳纤维的总产量不足40吨/年，日前据报道，中复神鹰碳纤维有限公司已经生产出T700的碳纤维，估计不久后将能工业化量产。
可喜的是，从2000年开始中国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。随着近年来中国对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料行业研发的热点。据不完全统计，目前拟建和在建的碳纤维生产企业有11家，合计生产能力为原丝7100吨/年、碳纤维1560吨/年，其中在建企业为4家，合计生产能力为原丝1100吨/年、碳纤维470吨/年。
应用发展
UPVC碳纤维瓦是新一代的厂房、仓库等屋面建筑材料，具有优良的隔热保温性能，化学性质稳定。上下层为改良性upvc,中间层为碳纤维发泡层。有2mm、2、5mm、3mm三种厚度可供选择，宽度统一为1130mm，长度随意定做。使用寿命达20年。耐用防酸、防碱、防腐蚀，在亚热带正常户外条件下使用寿命不低于20年。使用多孔材料芯层发泡结构，具有多孔通气性能，有效地阻隔紫外线，使导热系数降低至0. 8W/(m.k)，保温、隔热性能是石棉瓦的6倍，PVC瓦的2.5倍，钢板瓦（0.5mm)的2200倍,瓦板具有可钉、可钻、可锯的特性，工程整体接缝少，利用率高达93%，比一般塑料瓦高出8%以上。
现况
中国碳纤维复合材料的研制开始于20世纪70年代中期，经过近40年的发展，已取得了长足进展，在航天主导产品（弹、箭、星、船）上得到了广泛应用。近年来，中国体育休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的需求迅速增长，航空航天技术的快速发展急需高性能碳纤维及其复合材料等，市场需求更加旺盛。
为了满足国内市场对碳纤维不断增长的需求，应尽快实现中国碳纤维工业的国产化和规模化。为此，必须加快技术创新，掌握核心技术；加速原丝技术开发，研制高纯度原丝；强化应用研究和市场开发，进一步扩大应用领域。碳纤维在中国大有发展前途，但应总结涤纶等化纤发展的经验教训，避免盲目发展，实现健康发展。
为了大型飞机的制造和航空航天事业的发展，中国还必须尽快地实现高强中模型碳纤维的产业化。但是，因为高性能碳纤维是发展航空航天等尖端技术必不可少的材料，长期受到以美国为首的巴黎统筹委员会的封锁。虽然“巴统”在1994年3月解散了，但禁运的阴影仍然存在。即使对中国解除了禁运，开始也只能是通用级碳纤维，而不会向我们出售高性能碳纤维技术和设备。因此，发展高性能碳纤维必须要靠我们自己。
中国化学纤维工业“十一五”发展规划中提出了“从以增加数量为主转向大力发展高新技术纤维”，特别是把事关国家产业安全的高新技术纤维材料作为重中之重，而且碳纤维被列为首位，是国家迫切需要短期内突破的高新技术纤维品种，为中国碳纤维的发展创造了条件，我们要抓住这一机遇，自力更生、努力创新，发展具有自己知识产权的碳纤维，以满足不断增长的市场需求。国家“863 计划”以及有关部委都在关心中国碳纤维工业的发展及其产业化步伐，并给予强有力的支持，许多材料专家也扎扎实实的做了许多工作。“十一五”期间，中国又启动了相关“973计划”。相信“十一五”将是中国碳纤维工业产业化的黄金时代。
由中国科学院院士邢球痕，中国工程院院士孙晋良、姚穆、周国泰等院士与专家组成的鉴定委员会，5月30日对由航天四院自主研制的高性能碳纤维产品进行了鉴定。鉴定委员会认为，该材料制品性能稳定，生产工艺先进，总体技术水平达到国内外同类产品的先进水平，具有较好的经济和社会效益，并建议尽快在国内市场推广应用。长期以来，中国碳纤维研制生产水平较低，国外技术和产品严格封锁。为彻底扭转中国碳纤维受制于国外的状况，在国防科工局、陕西省、西安市、航天科技集团公司和国内多名材料专家的关心和支持下，航天四院于2008年4月成立了以高性能碳纤维工程化、产业化为主业的西安康本材料有限公司，陕西省高性能碳纤维制造及应用工程研究中心同步挂牌运行。
经过两年多的集中攻关，先后攻克了原料纯化及纺丝液过滤技术等多项关键技术，并自主研发了聚合反应釜、加压蒸汽牵伸箱、表面处理机等碳纤维生产的核心设备。2009年3月和6月，原丝生产线和碳化生产线相继实现贯通，并于9月份生产出了碳纤维产品。2010年，采用航天四院康该公司HT-1碳纤维研制生产的产品经试验使用，各项性能表现达到了进口或国内同级产品的水平。
碳纤维加固
技术介绍
国内最早通过的规范是2003年《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，其编号为CECS146：2003, 已经被最新的国家标准规范2006《混凝土结构加固设计规范》代替,其编号为GB 50367-2006. 碳纤维加固最近的国标是《结构加固修复用碳纤维片材》GB/T 20490-2008,08年10月1日起执行。 《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》。
材料特点
碳纤维与传统的加大混凝土截面或粘钢混凝土补强相比，具有节省空间，施工简便，不需要现场固定设施，施工质量易保证，基本不增加结构尺寸及自重，耐腐蚀、耐久性能好等特点。另外，采用该工法，可大大提高建筑物的使用寿命，降低加固成本。因此，碳素纤维作为划时代的补强材料，而备受青睐和关注。 (1)抗拉强度高，是同等截面钢材的7-10倍。 (2)重量轻，密度只有普通钢材的1/4。 (3)耐久性好，可阻抗化学腐蚀和恶劣环境、气候变化的破坏。 (4)施工方便快捷、省力节时、施工质量易于保证。 (5)适用范围广，混凝土构件、钢结构、木结构均可进行加固。可大幅度提高构件的承载能力、抗震性能和耐久性能。
施工方法
1.施工准备
1)施工前应认真阅读设计施工图，按设计图纸，在加固部位放线定位。
2)应根据施工现场和被加固构件混凝土的实际情况，拟订施工方案和施工计划。
3)应对所使用的碳纤维片材、配套树脂、机具等做好施工前的准备工作。
2.混凝土表面处理
1)应清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层。
2)被加固构件表面打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。转角粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm。并用修复材料将表面修复平整。
3)应按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。
4)表面打磨后，应用强力吹风器或吸尘器将表面粉尘彻底清除，并保持干燥。
3.配制并涂刷底层树脂
1)应按产品生产厂提供的工艺规定配制底层树脂。
2)应采用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面。宜在底层树脂表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。
4.粘贴面找平处理1)应按产品生产厂提供的工艺规定配制找平材料。
2)混凝土表面修补应选用丙酮将表面浮尘擦去，有凹陷处，应使用修补胶找平；有段差或转角部位，应抹成平滑曲面。
3)转角处应采用找平材料修理成为光滑的圆弧，半径不应小于20mm。
4)用刀头宽度≥100mm的刮刀对凹坑实施填塞修补、找平，找平程度按眼观目测无明显的刮板或刮刀痕迹纹路平滑为准。
5)宜在找平材料表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。
5.碳纤维布（板）剪裁
1)按设计规定尺寸剪裁碳纤布，切记必须满足设计尺寸，严禁斜切碳纤布，并防出现拉丝现象。
2)保证剪裁后的碳纤维加固向与粘贴部位的方向一致。
3)剪裁成型的碳纤维注意保护洁净不受污染。
6.配制并涂刷浸渍树脂或粘贴树脂
1)配制粘结剂前应仔细阅读其使用说明书。
2)按粘贴面积确定每次用量，以防失效浪费。
3)严格按重量比计量使用配制。
4)按厂家配合比和工艺要求进行配制，且应有专人负责。搅拌应顺时针一个方向搅拌，直至颜色均匀，无气泡产生，并应防止灰尘等杂质混入。
5)调制好的粘结剂抓紧使用。
7.粘贴碳纤维材料
粘贴碳纤维布
1)粘贴碳纤维前应对混凝土表面再次擦拭，确保粘贴面无粉尘。
2)混凝土表面涂刷结构胶，必须做到涂刷稳、准、匀的要求，即：稳，刷涂用力适度，尽量不流不坠不掉；准，涂刷不出控制线；匀，涂刷范围内薄厚较一致。
3)碳纤维布粘贴时，同样要稳、准、匀，核心要求做到放卷用力适度，使碳纤维布不皱、不折、展延平滑顺畅。
4)滚压碳纤布必须从一端向另一端滚压，不宜在一个部位反复滚压揉搓，滚压中让胶渗透纤维布，做到浸润饱满。碳纤维布需要搭接时，必须满足规范要求≥100mm。
5)多层粘贴时，应在碳纤维织物表面指触干燥后立即进行下一层的粘贴。如超过40分钟，则应等12小时后，再行涂刷粘结剂粘贴下一层。
