碳纖維的結構、性能和主要用途

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7 p6 P) i# t: X; ?. y以丙烯腈基碳纖維為例，經致密化牽伸之后的丙烯腈纖維中碳鏈伸直（由于碳原子價電子σ—π價鍵間夾角為１０９°２８′，所以伸直鏈中碳原子主鏈仍是曲折的），氮原子是側基上的腈基。在２００～３００℃高溫預氧化加工過程中，腈基先環化后，再脫氫，最后氧化形成耐熱的梯形結構（也可能先脫氫，再環化，最后氧化），如圖所示。然后在８００～１６００℃高溫碳化過程中，進一步脫去氫、氧、氮，使碳含量達到９０％以上或９２％以上，并最終成為相鄰平行伸直的曲折鏈，相互結合形成稠環結構的碳纖維（在加工過程中還要注意，預氧化過程是一種放熱反應，必須將大量的熱能導走，以防過高溫度破壞高聚物結構；以上反應過程中纖維會縮短，應注意及時拉伸，以防碳鏈卷縮，從而影響最終纖維性能）。

丙烯腈碳纖維的環化與氧化反應

2.碳纖維的性能
幾種主要碳纖維的力學性能見表。

+ ^, A" `$ s' ?( p# G　幾種主要碳纖維的力學性能

類別	單纖維直徑（μｍ）	密度（ｇ／ｃｍ３）	拉伸斷裂比強度		拉伸模量
			ＧＰａ	ｃＮ／ｄｔｅｘ	ＧＰａ	ｃＮ／ｄｔｅｘ
高強度碳纖維	６	１．８１～１．８２	５．５９～７．０６	３０．９～３８．８	２９４	１６２０
高強度高模量碳纖維	７	１．７７～１．９８	３．６０～４．４１	１８．２～２４．９	３７７～６４０	２１８０～３３７２
高強度中模量碳纖維	５	１．８８～１．９１	２．４５～２．７４	１２．８～１５．１	３９２～４９０	２１６６～２５６５
耐火纖維	１１	１．５０	０．２６	１．８	３９２	２６１３．３
碳質纖維	９	１．７０	１．１８	７．１	４７０	２７６４．７
石墨纖維	８	１．８０	０．９８	５．６	９８	５４４．４
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碳纖維的比熱容約為０．７１２ｋＪ／（ｋｇ·Ｋ），電阻率也相當低，高強度碳纖維為０．００１５Ω·ｃｍ，高模量碳纖維為０．０００７７５Ω·ｃｍ。碳纖維還具有耐高溫、耐燒蝕、耐化學腐蝕，以及防水、耐輻射等性能。

3.碳纖維的主要用途
' c! V, U+ C( H7 X碳纖維用于纖維增強復合材料中的增強材料，復合材料中的基體可以用高聚物樹脂、金屬、陶瓷、無定形碳等。碳纖維與高聚物樹脂的復合材料具有質量輕、強度高、耐高溫等特性，是飛機、艦艇、宇宙飛船、火箭、導彈等殼體的重要材料。碳纖維與陶瓷的復合材料具有強度高、耐磨損的特點。碳纖維與無定形碳的復合材料具有耐高溫、耐燒蝕，是導彈、火箭、噴火喉管及飛機等剎車盤的重要制造原料。同時，利用其導電性能而制成的導體材料和防電磁輻射材料也有許多用途。另外，碳纖維在建筑、交通、運輸工程中也有應用。目前，全世界碳纖維的總生產能力已達５萬噸／年。
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