112碳纤维（一）了解生产碳纤维的主要原料、制备工艺及表面处理的目的和方法。PAN基碳纤维的制备工艺，碳纤维表面处理的目的和方法。多媒体手段上课《高科技纤维概论》，第十四章，p407－425掌握本课内容；预习下节课内容：活性碳纤维、纳米碳纤维、纳米碳管和碳纤维增强复合材料。碳纤维是由碳元素组成的纤维，其90％以上的组成元素为碳元素。根据原子结构排列规整性的不同，碳以三种形式呈现于自然界：金刚石、石墨及无定型碳。金刚石的三维有序的结构最规整，因此它的力学性质最高，几乎是其它一切材料都无法比拟的。石墨结构两维有序，比金刚石结构规整性稍差，力学性能也较金刚石稍差。碳纤维结构近乎石墨结构，所以也具有很高的抗拉强度和模量。其强度约为钢的四倍，密度又为钢的四分之一。因此具有很高的比强度和比模量。加上它具有耐高温、线膨胀系数小、尺寸稳定性好、导电、耐化学腐蚀、抗蠕变等一系列优良性能。既可以作为结构材料承载负荷，又可以作为功能材料发挥作用，目前几乎没有什么材料具有这么多方面特性。从军工到民用，在各种领域中被广泛应用。1.2碳纤维的分类1.2.1按原料种类的不同目前能够工业化生产的原丝有三种来源：粘胶纤维、聚丙烯腈纤维和沥青。相应的碳纤维也被称为粘胶基碳纤维（Rayon-basedCF）、聚丙烯腈基碳纤维（PAN-basedCF）与沥青基碳纤维（Pitch-basedCF）。此外，人们还研究了尚未工业化生产的气相生长法碳纤维。粘胶纤维是最早用于制取碳纤维的原丝，但是由于粘胶纤维的理论总碳量仅44.5%，实际制造过程热解反应中，往往会因裂解不当，生成左旋葡萄糖等裂解产物而实际碳收率仅为30%以下。目前世界上只有少数几家工厂采用粘胶纤维制作碳纤维，主要是用于航天等特殊领域。聚丙烯腈纤维的炭化收率比粘胶纤维高，可达45％以上，而且因为生产流程、溶剂回收、三废处理等方面都比粘胶纤维简单、成本低，加上聚丙烯腈基碳纤维的力学性能，尤其是抗拉强度、抗拉模量等为三种碳纤维之首。所以目前的应用领域最广、产量也最大。是碳纤维中最重要的一个品种。沥青纤维的炭化收率比聚丙烯腈纤维高，原料沥青的价格液远比聚丙烯腈便宜，在理论上这些差别将使沥青基碳纤维的成本比聚丙烯腈基碳纤维低。然而，要制得高性能碳纤维，原料沥青中的杂质及喹啉不溶物等必须完全脱除，这就使沥青基碳纤维的成本大大增加。实际上目前高性能沥青基碳纤维的成本反而比聚丙烯腈基碳纤维高。1.2.2按照力学性能来分可分成通用级（GP）和高性能级（HP）两种。通用级PANCF的概念一般以日本东丽公司T-300牌号的碳纤维的力学性能为准，中强（MT）、中模（IM）。高性能碳纤维包括以下各种碳纤维：高强（HT）、超高强（UHT）、高模（HM）、超高模（UHM）等型号。1.2.3按制造步骤分可分为氧化纤维（OF）、碳纤维（CF）、石墨纤维（GF）、活性碳纤维（ACF）。碳纤维诞生于18世纪中期，最初的商业化碳丝是1879年采用纤维素为前驱体，用作灯丝，后来被钨丝取代。直到20世纪50年代随着尖端技术和军事工业的发展，碳纤维又重新作为新型工业材料被受到重视。粘胶基碳纤维1950年由美空军首先研制，1959年由美国联合碳化物公司(UCC)实现了工业化；聚丙烯腈基碳纤维（PANCF）1961年由日本进藤昭男发明；1964年英国瓦特(WattW.)在预氧化过程中对纤维施加张力，开发了高性能碳纤维的生产技术]；1969年英国考陶尔(Courtaulas)、日本东丽等公司实现了工业化；沥青基碳纤维由日本大谷杉郎1963年发明，1970年吴羽化学工业公司进行了低性能沥青基碳纤维工业化生产，同年美国联合碳化物公司(UCC)辛格尔(L.S.Sineger)开发了高性能中间相沥青基石墨纤维，1975年该公司实现了工业化生产。气相生长碳纤催化裂解法是20世纪60年末日本小山恒夫研制成功，为90年代开发晶须状纳米碳材料开辟了诱人的前景。这些品种中，由于性能与制造工艺的优势，PANCF的生产规模最大、应用领域最广。：PAN大分子结构式：CH2CHCNn和一般高聚物的分子一样，PAN的分子具有链状结构。这种结构容易形成共轭结构的梯形高分子，使其能够承受较快的速度热解而保持原有的纤维状基本结构。但是，由于其大分子链上有强极性和体积较大的氰基，使其分子间形成强的偶极力。氰基的氮原子能与相邻分子链上的α－氢原子形成氢键。CCNHCCNCH2CH2CCNHCCNCH2C