聚合物复合材料讲解(详细版)(11)

多的碳纤维原料。丙烯腈纤维热解时，先加热至200~250°C使其环化，再加热到1300°C左右，将非碳元素（N2，O2，H2等）驱除。这个过程称为碳化。更新的生产技术是采用沥青为原料，先将沥青转化为液晶状态再纺成丝，然后进行热解。碳纤维可以在更高的温度下进一步热解，最高温度可达3000°C（见图4-7）。纤维在碳纯度不断提高的同时，会形成石墨的晶体结构，这个过程称为石墨化。温度越高，石墨化的程度越高。石墨晶体为六方结构，其底面平行于纤维轴。当石墨化程度很高时，纤维具有极高的强度和模量。1993年聚丙烯腈碳纤维的模量纪录为758GPa。碳纤维的模量越高，表面越光滑；反过来模量越低，表面越粗糙。粗糙表面容易浸润，所以一般性应用中都尽量使用低模量的品种。只有在必须要求高模量时才使用高模量品种。

图4-7 碳纤维与石墨纤维的生产工艺

碳纤维与石墨纤维的之间没有严格的分界线，它们之间的区别仅在于碳化程度及石墨化程度的高低。为了区别这两种纤维，人们作出约定：凡碳含量在92~95%之间，模量在344GPa以下的为碳纤维，碳含量在99%以上，模量在344GPa以上的为石墨纤维。另一种区分是根据热解的温度，在1300°C左右热解的称碳纤维，在1900°C以上热解的称石墨纤维。为方便，在需要对二者统称时称为碳纤维，需要明确具体品种时再分别称碳纤维和石墨纤维。

碳纤维有优异的抗蠕变和耐疲劳性能，并有突出的热稳定性。热膨胀系数在0°C为负值，随温度升高而增加。但直到2000°C还保持很好的尺寸稳定性。其导热性能超过大部分金属，仅次于铝。此外，碳纤维不存在内应力问题，从不需要退火。这是金属所无法比拟的。

碳纤维的牌号非常齐全。工业碳纤维可分成几个等级：高模量级、中模量高强度级和高模量高强度级。截面可以是圆的，可以是椭圆，也可以是腰子状的。直径从0.008mm到0.01mm，拉伸强度从1.72 GPa到3.1GPa，模量从193 GPa到517GPa。

碳纤维的缺点之一是抗氧化性较差。在700K下就开始在空气中氧化。不像金属那样可以形成氧化保护膜，碳的氧化物是挥发性的。镀层可以防止碳纤维的氧化，例如碳化硅可以保护碳纤维直至1920K。碳纤维的另一缺点是脆性，对应变敏感，耐冲击性差。

4.4.3芳香尼龙