瀝青炭纖維

瀝青基碳纖維是指以瀝青等富含稠環芳烴的物質為原料，通過聚合、紡絲、不熔化、碳化處理製備的一類碳纖維，按其性能的差異又分為通用級瀝青碳纖維和高性能瀝青碳纖維，前者由各向同性瀝青製備，又稱各向同性瀝青基碳纖維 ^[2]  ，後者由中間相瀝青出發製備，故又稱為中間相瀝青級碳纖維 ^[1]  。

製備瀝青碳纖維時，首先要將瀝青進行熔融紡絲。熔融紡絲可用噴吹、離心或擠壓等方法。噴吹法在熔體流入噴絲頭出口處時，噴吹熱空氣使之與纖維成一定的角度進行牽伸，可製得短瀝青纖維。離心法是將熔體落在高速旋轉的離心機內，利用離心力的作用使熔體分散牽伸成瀝青短纖維。擠壓法是將瀝青熔體用泵或氮氣壓力送入紡絲主體，通過剪切力和牽伸力的作用使瀝青的稠環芳烴片層大分子沿纖維軸向取向排列。紡絲工藝參數根據瀝青的流變性能及要求而定，通常紡絲温度高於軟化點30～100 ℃，紡絲壓力最高達幾個兆帕，卷繞速度為幾十到1000 m/min ^[1]  。

瀝青的熔紡與一般的高分子不同，它在極短的時間內固化後就不能再進行牽伸，得到的瀝青纖維十分脆弱，因此在紡絲時就要求能紡成直徑較細的低纖度纖維，以提高最終碳纖維的強度。瀝青的粘彈性與高分子也有本質上的差別，其熔融粘度與剪切速率的關係均隨瀝青的物性和温度而變化。為得到高性能的碳纖維，在紡絲時還必須控制分子沿纖維軸和纖維截面的取向，分子結晶大小及分子填充密度等，因為瀝青在熔紡後形成的纖維結構在其碳化過程中不再有大的變化，碳纖維的結構是熔紡時形成結構的反映。

影響瀝青纖維微觀結構的因素很多，如紡絲温度、壓力、噴絲孔徑、卷繞速度等。由於中間相瀝青的粘度對温度的敏感性，因此控制紡絲温度顯得特別重要。牽伸是瀝青形成擇優取向的必要條件，牽伸比越大，取向度越高。

通用級瀝青碳纖維的強度和模量都較PAN基碳纖維差很多，不能用作飛機、體育和文娛用品的增強材料，故而另闢蹊徑進行獨自的用途開發，如下表所示。吳羽化學公司用廉價的通用級瀝青碳纖維增強混凝土，效果較好，可提高混凝土的強度5-10倍，抗彎曲韌性提高几倍到50倍，可節省鋼材，減薄結構，使製件質量減輕，利於施工 ^[1]  。

高性能瀝青碳纖維具有比PAN碳纖維超高力學性能（尤其是高模量），並具有極優的傳熱、導電性能和極低的熱膨脹係數，它們可以和樹脂、金屬、碳等複合製成高性能複合材料，用於航空、航天、核能等PAN碳纖維性能所不及的高技術領域，作為高温燒蝕材料和高温結構材料使用；還可用作高導熱材料（如半導體（LED）燈的傳熱材料）、風力發電葉片複合材料增強劑等。