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高性能碳纤维的制备及分类

高性能纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐气候、耐化学试剂等特性,是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。高性能纤维品种较多,目前已规模化生产的有碳纤维、芳纶纤维等,既可作为结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用,是性能*的战略性新型材料。

目前,高性能纤维中碳纤维是大规模生产的一个品种,具有较高的比强度、比模量和较小的体积质量。碳纤维既具有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,具有优异的力学性能,近年来被广泛应用于航天、汽车、化工、能源、交通、建筑、电子、体育运动器材等领域。

碳纤维的制备目前是采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)做原料,将有机纤维与塑料树脂结合在一起,放在稀有气体的环境中,在一定张力、温度、压强下,经过一定时间的预氧化、碳化和石墨化处理等强热过程制成。

碳纤维按原丝类型可分为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基碳纤维4类。PAN基碳纤维是目前制备碳纤维的一大原料,其产量约占世界总产量的95%左右。沥青基碳纤维约占4%,粘胶基碳纤维约占1%,酚醛基碳纤维尚处于实验室研究,未形成产业化。

碳纤维按形态可分为长丝、短纤维和短切纤维。长丝应用在工业结构件和宇航结构件中,短纤维主要应用在建筑行业,如短碳纤维石墨低频电磁屏蔽混凝土、工业用碳纤维毡等。

碳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1000MPa、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

碳纤维按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维。小丝束以1K、3K、6K为主,逐渐发展为12K和24K;大丝束在48K以上,包括60K、120K、360K和480K等