碳纖維

碳纖維主要由碳元素組成，具有耐高温、抗摩擦、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、陶瓷及炭等複合，製造先進複合材料。碳纖維增強環氧樹脂複合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是最高的。

碳纖維直徑只有5微米，相當於一根頭髮絲的十到十二分之一，強度卻在鋁合金4倍以上。 ^[4] 

1879年愛迪生曾用纖維素纖維，如竹、亞麻或棉紗為原料，首先製得碳纖維並獲得專利，但當時製得的纖維力學性能很低，工藝也不能工業化，未能獲得發展。

20世紀50年代初，由於火箭、航天及航空等尖端技術的發展，迫切需要比強度、比模量高和耐高温的新型材料，另外，採用前驅纖維為原料經熱處理的工藝可製得碳纖維連續長絲，這一工藝奠定了碳纖維工業化的基礎。40多年來，碳纖維經歷的重大技術進展如下：

20世紀50年代初，美國Wright-Patterson空軍基地以黏膠纖維為原料，試製碳纖維成功，產品作火箭噴管和鼻錐的燒蝕材料，效果很好。1956年美國聯合碳化物公司試製高模量黏膠基碳纖維成功，商品名“Thornel—25”投放市場，同時開發了應力石墨化的技術，提高碳纖維的強度與模量。

20世紀60年代初，日本進藤昭男發明了以聚丙烯腈（PAN）纖維為原料製取碳纖維的方法，並取得了專利。1963年日本碳公司及東海電極公司用進藤的專利開發聚丙烯腈基碳纖維。1965年日本碳公司工業化生產普通型聚丙烯腈基碳纖維成功。1964年英國皇家航空研究中心（RAE）通過在預氧化時加張力試製出高性能聚丙烯腈基碳纖維。由Courtaulds公司，Hercules公司和Rolls—Royce公司採用RAE的技術進行工業化生產。

1965年日本大谷杉郎首先製成了聚氯乙烯瀝青基碳纖維，並發表了先驅性的瀝青基碳纖維的研究報告。

1969年日本碳公司開發高性能聚丙烯腈基碳纖維獲得成功。1970年日本東麗（Toray Textile Inc.）公司依靠先進的聚丙烯腈原絲技術，並與美國聯合碳化物公司交換碳化技術，開發高性能聚丙烯腈基碳纖維。1971年東麗公司將高性能聚丙烯腈基碳纖維產品（Torayca）投放市場。隨後產品的性能、品種、產量不斷髮展，至今仍處於世界領先地位。此後，日本東邦、旭化成、三菱人造絲及住友公司等相繼投入聚丙烯腈基碳纖維的生產行列。（見聚丙烯腈基碳纖維）

1970年日本吳羽化學工業公司採用大谷杉郎的專利，首先建成年產120t普通型（GPCF）瀝青基碳纖維的生產廠，1978年產量增到240t。該產品被用作水泥增強材料後，發現效果很好，1984年產量增至400t，1986年再次增加到900t。1976年美國聯合碳化物公司生產高性能中間相瀝青基碳纖維（HPCF）成功，年產量為113t，1982年增至230t，1985年增至311t。

1982年起，日本東麗、東邦、日本碳公司、美國Hercules、Celanese公司、英國Courtaulds公司等，先後生產出高強、超高強、高模量、超高模量、高強中模以及高強高模等類型高性能產品，碳纖維拉伸強度從3.5GPa提高到5.5GPa，小規模產品達7.0GPa。模量從230GPa提高到600GPa，這是碳纖維工藝技術的重大突破，使應用開發進入一個新的高水平階段。

1981年起瀝青科學取得重大進展，開發出幾種調製中間相瀝青的新工藝，如日本九州工業試驗所的預中間相法，美國EXXON公司的新中間相法，日本羣馬大學開發的潛在中間相法，促進了高性能瀝青基碳纖維的開發。隨後日本三菱化成化學公司、大阪煤氣公司、新日鐵公司陸續建成一批不同規格的高性能碳纖維生產廠。其特點是模量增高的同時也增高強度。20世紀80年代是瀝青基碳纖維的興旺發展時期。

黏膠基碳纖維自20世紀60年代中期以後沒有發展，僅生產少量產品供軍工及特種部門使用。

現代碳纖維工業化的路線是前驅纖維炭化工藝法，所用3種原料纖維的組成、碳含量等見表。

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）。為了提高炭纖維與複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℃高温下反應，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。（見氣相生長炭纖維）

分類及命名

現在碳纖維的主要產品有聚丙烯腈基，瀝青基及黏膠基3大類，每一類產品又因原纖維種類、工藝及最終碳纖維性能等不同，又分成許多品種。“碳纖維”一詞實際上是多種碳纖維的總稱，因此分類及命名就十分重要。

20世紀70年代末期，國際理論與應用化學聯合會（IUPAC）曾對炭纖維的分類和命名作了規定。首先用PAN（聚丙烯腈），MP（中間相瀝青）及VS（黏膠）表示碳纖維的類別，再以小寫英文字母表示熱處理温度如lht（表示熱處理温度，低於1400℃），hht（熱處理温度在2000℃以上），然後再加上表示性能的符號（如HT表示高強、HM高模、SHT超高強、HTHS高強高應變、IM中模及UHM超高模等）。同時指出，聚丙烯腈基，黏膠基及普通型瀝青基碳纖維均屬難石墨化的聚合物炭，而中間相瀝青基炭纖維及氣相生長的碳纖維是易石墨化碳。

在第三次國際碳纖維會議上（1985年，倫敦），曾建議按力學性能將碳纖維分成下列5級。

超高模量級（UHM）：模量在395GPa以上；

高模量級（HM）：模量在310～395GPa間；

中模量級（IM）：模量在255～310GPa間；

超高強度級（UHT）：強度在3.5GPa以上，

模量在255GPa以下；

高強度級（HT）：強度達3.5GPa。

這兩種分級法都有不足之處。現在高性能碳纖維產品分類由製造商自行標明：原纖維種類、單絲孔數、直徑、排列方式（如平行、纏結、加捻等），有無表面處理（及其種類），有無上漿（及漿劑種類）等。一些重要的高性能商品名稱及性能，可見聚丙烯腈基炭纖維和瀝青基炭纖維。

發展展望

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。一些特種碳纖維，如抗氧化碳纖維（以提高複合材料的使用温度）、低纖度碳纖維（做0.035mm超薄型預浸帶用）、高導熱低電阻碳纖維（以滿足屏蔽電磁、射頻干擾用，並可散發多餘的熱能）、低熱膨脹係數碳纖維（供衞星天線系統、反射鏡等用），中空碳纖維（用於飛機制造工業，提高複合材料的衝擊韌性，核反應堆中的高温過濾介質，分離生物分子血清和血漿用的介質）和活性碳纖維，隨着科學及工程的發展會有很大發展。氣相生長碳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。 ^[3]