碳纤维结构、制作过程、特性、分类及应用领域有哪些？

碳纤维是一种轻质高强度高模量的新型材料。

1、碳纤维：一种高强度高模量的新型材料

碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它的单丝直径通常只有5到10微米，相当于一根头 发丝的十到十二分之一，强度却在铝合金4倍以上，并且具有耐高温、抗摩擦、导热及耐腐蚀等特性。由于其具有碳材料的 固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维，这也使其在航空航天、风电、压力容器及体育运动制 品中很受欢迎。碳纤维由于其密度较小，因此比强度和比模量比较高，通过与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，可制造各种先 进复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。

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，属于多晶乱层石墨结 构。与石墨结构的差别在于它的原子层面之间发生了不规则的平移与转动，其六元网状共价键结合在一起的原子层基本上平 行于纤维轴排列，所以一般认为碳纤维是由沿着纤维轴高度取向的乱层石墨结构组成，致使其具有很高的轴向拉伸模量。石 墨层状结构具有显著的各项异性，使其物性也呈现出各项异性。

碳纤维的制作过程通常包括碳化过程及石墨化过程。碳化过程是指有机化合物（例如PAN）在惰性气体中加热到1000~1500 ℃时，所有非碳原子（氮、氢、氧等）将逐步被驱除，碳含量逐步增加，随着非碳原子的排除，固相间发生一系列脱氢、环 化、交链和缩聚等化学反应，形成碳纤维。在1500~2000度范围内加热的碳表现出最高的拉伸强度（5650MPa或820,000 psi）。如果想得到更高弹性模量的碳纤维，则需要经过石墨化过程。石墨化过程是指将温度继续升高到2000~3000℃时，残 留的非碳原子继续排除，进一步反应形成的芳环平面逐步增加，排列也较规整，取向性显著提高，并由二维乱层向三维有序 结构转化，其弹性模量将大大提高（531GPa或 77,000,000 psi）。

2、碳纤维的物理特性：强抗拉力、柔软可加工、纤度好

碳纤维拉伸强度约为2到7GPa，拉伸模量约为200到700GPa，密度约为1.5到2.0克每立方厘米，在所有高性能纤维中具有最高 的比强度和比模量。想要达到400公斤普通钢的强度，需要优质钢320公斤，铝合金240公斤，使用镁合金的话则需要200公 斤，而使用碳纤维则仅需160公斤，材料减重效果显著。而通过与各种材料在弹性模量、拉伸强度等参数方面的对比，可以 看出碳纤维相对于其他材料在力学性能上的巨大优势。此外，碳纤维还具有柔软可加工、纤度好（一般仅约为19克）等特 点。

3、碳纤维的化学特性：对一般酸碱均显惰性

碳纤维的化学性质与碳相似，它除能被强氧化剂氧化外，对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性，不溶不胀，耐 蚀性出类拔萃，完全不存在生锈的问题。有学者在1981年将PAN基碳纤维浸泡在强碱氢氧化钠溶液中，时间已过去30多年， 它仍保持纤维形态。由于碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值，当碳纤维复合材料与与铝合金组合应用时会发 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。碳纤维还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒 气体和减速中子等特性 。

4、碳纤维的分类：按照产品规格可分为小丝束和大丝束

碳纤维按产品规格的不同被划分为小丝束和大丝束。碳纤维大丝束和小丝束划分的根本来源于碳纤维原丝数量，如1K、3K、 6K、12K、24K和48K等，K就是千的意思。一簇碳纤维丝束，可以包含成千上万根的碳纤维原丝。原丝数量越多，丝束越大， 反之越小，大小丝束就此划分。一般来说，小丝束碳纤维是指原丝数量每簇不超过24,000根的碳纤维，目前主要用于要求高 性能和高质量的高端应用场景，如航空航天，是最早工业量产的碳纤维；大丝束碳纤维一般指丝束在48,000根以上的碳纤 维，成本及售价相对于小丝束均较低，适用于对成本比较敏感的领域，如风电、压力容器等。

按照原丝类型可分为PAN基、沥青基和粘胶基

碳纤维按照原丝类型的不同可以分为PAN（聚丙烯腈）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中PAN基碳纤维由于高 碳产率和优越的性能，目前产量约占全球碳纤维总产量的90%以上。沥青基原丝由从石油沥青、煤焦油或聚氯乙烯中提取的 多环芳烃制成。由于原料来源比较丰富，沥青基碳纤维成本较PAN基具有一定的优势，然而由于其原材料调制复杂且产品的 性能较低，目前产量份额不足10%。粘胶基原丝是制造碳纤维最古老的原料之一，但因为粘胶基原丝碳纤维转化率较低且由 于拉伸石墨化的额外成本而导致成本较高，目前已被边缘化，产量份额约为1%。

5.碳纤维的应用领域：小丝束主要用于航空航天，大丝束用于一般工业

小丝束碳纤维的抗拉强度较为稳定，离散型较小，变异系数控制在5%以下，这是因为胶液的渗透更到位。而大丝束碳纤维的变异系数在15- 18%左右，离散型更好，但综合性能稳定程度较低。这是因为丝束越大，聚集越容易，但同时展纱效果也就越差，浸润胶液的效果也就越差， 加上单丝中容易发生空隙等问题，导致大丝束碳纤维的性能目前不如小丝束。因此小丝束目前在对性能及稳定性要求较高的领域，如航空航 天中应用较广，而大丝束则主要应用于对成本较为敏感的一般工业领域。