PAN碳纤维技术参考资料ppt课件
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第七章碳纤维PPT课件
预氧化过程中可能发生的反应：
环化反应 脱氢反应 吸氧反应
33
环化反应
CCCCC NNNNN
梯 形 ， 六 元 环 CCCCC
NNNNN 耐 热
34
脱氢反应
未环化的聚合物链或环化后的杂环可由于氧的作用 而发生脱氢反应，形成以下结构：
CC CC C NNNN
35
吸氧反应
氧可以直接结合到预氧化丝的结构中，主要生成－OH，－
14
第一节 碳纤维的制备与性能
碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机 纤维为原料，采用间接方法来制造。 ➢ 碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种 过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在350℃以上的高 温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常 压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在3800K以上的高温 时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。 ➢ 碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。
13
碳纤维的分类
按制造条件 和方法分类
碳纤维：碳化温度1200～1500oC，碳含量 95％以上。
石墨纤维：石墨化温度2000oC以上，碳含 量99％以上。
活性碳纤维：气体活化法，CF在600～ 1200oC，用水蒸汽、CO2、 空气等活化。
气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有 机物在高温下沉积成纤维－ 晶须或短纤维。
碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构 规整性稍差。
4
碳纤维的发展
碳纤维的开发历史可追溯到19世纪末期，美国科学家爱 迪生发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生 产的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。
1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维(Viscose firber)为 原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维。
环化反应 脱氢反应 吸氧反应
33
环化反应
CCCCC NNNNN
梯 形 ， 六 元 环 CCCCC
NNNNN 耐 热
34
脱氢反应
未环化的聚合物链或环化后的杂环可由于氧的作用 而发生脱氢反应，形成以下结构：
CC CC C NNNN
35
吸氧反应
氧可以直接结合到预氧化丝的结构中，主要生成－OH，－
14
第一节 碳纤维的制备与性能
碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机 纤维为原料，采用间接方法来制造。 ➢ 碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种 过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在350℃以上的高 温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常 压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在3800K以上的高温 时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。 ➢ 碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。
13
碳纤维的分类
按制造条件 和方法分类
碳纤维：碳化温度1200～1500oC，碳含量 95％以上。
石墨纤维：石墨化温度2000oC以上，碳含 量99％以上。
活性碳纤维：气体活化法，CF在600～ 1200oC，用水蒸汽、CO2、 空气等活化。
气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有 机物在高温下沉积成纤维－ 晶须或短纤维。
碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构 规整性稍差。
4
碳纤维的发展
碳纤维的开发历史可追溯到19世纪末期，美国科学家爱 迪生发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生 产的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。
1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维(Viscose firber)为 原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料PPT课件
2000年以来，在以师昌绪院士为首的一批材料界前辈的大力 推动下，我国碳纤维研发取得了长足的进步。在国内科研院所和以 中国航天四院为代表的一大批企业的参与下，完成了高强中模碳纤 维和基本型高模高强纤维制备技术的攻关，今后的研发重点将围绕 超高强中模和更高性能的高模高强碳纤维制备技术展开。
截止2011年底，中国大陆具备500t产能以上规模、具有原丝 和碳纤维制备的企业共有7家，其中有4家企业建起千吨以上产能 规模。
土耳其Aksa公司
印度Kemrock公司
产能合计
产量系数0.7
2009 17600 13500 7400 6150 4750 2000
750 0
52150 36505
2010 17600 13500 7400 7450 4750 3000 1500
0 57650 40335
2011 17600 13500 7400 8750 5500 3000 3500
卓尔泰克集团
13000 13000 13000 13000 13000
大丝束 24K/48K/50K /60K/80K/320
K及以上
德国SGL集团 三菱人造丝公司 东丽集团
6000 6000 700 700 300 300
6000 7500 2700 2700 300 300
9000 2700 300
3.能源和工业：风力发电机叶 片，太阳能基板、高档汽车、 建筑板材、装备制造
长征6号运载火箭
航空航天
美国航天飞机
欧洲空客A380
高尔夫球杆 钓鱼竿
体育休闲
网球拍 捷安特XTC-ADV-SL
海洋风力发电
能源和工业
太阳能电池板
F1方程式赛车
截止2011年底，中国大陆具备500t产能以上规模、具有原丝 和碳纤维制备的企业共有7家，其中有4家企业建起千吨以上产能 规模。
土耳其Aksa公司
印度Kemrock公司
产能合计
产量系数0.7
2009 17600 13500 7400 6150 4750 2000
750 0
52150 36505
2010 17600 13500 7400 7450 4750 3000 1500
0 57650 40335
2011 17600 13500 7400 8750 5500 3000 3500
卓尔泰克集团
13000 13000 13000 13000 13000
大丝束 24K/48K/50K /60K/80K/320
K及以上
德国SGL集团 三菱人造丝公司 东丽集团
6000 6000 700 700 300 300
6000 7500 2700 2700 300 300
9000 2700 300
3.能源和工业：风力发电机叶 片，太阳能基板、高档汽车、 建筑板材、装备制造
长征6号运载火箭
航空航天
美国航天飞机
欧洲空客A380
高尔夫球杆 钓鱼竿
体育休闲
网球拍 捷安特XTC-ADV-SL
海洋风力发电
能源和工业
太阳能电池板
F1方程式赛车
碳纤维表面研究及表面处理PPT课件
a.所吸附的杂质、脱模剂等； b.界面层老化时形成的氧化层、水合物层等； c.与基体的不充分浸润而所束缚的空气层等。
➢ 第二，产生适合于粘结的表面形态。
增加表面粗糙度有利于碳纤维与基体树脂的机械嵌合,增强锚锭 效应。
➢ 第三，改善树脂和增强材料的亲和力。
引进具有极性或反应性官能团，及能与树脂起作用的中间层，如 —COOH，—NH2，—OH等。
12
➢等离子体处理对复合材料层间剪切破坏断面的SEM分析
未经等离子体处理
等离子处理后
未经等离子体处理的碳纤维复合材料断口中，纤维与基体树脂间存在明显
缝隙，纤维表面粘有的树脂较少，表面较为光洁，破坏多发生在界面上。
经过等离子体处理后的碳纤维复合材料经层间剪切破坏后，纤维与树脂基
体间结合紧密，纤维表面粘附的树脂较多，而且纤维被树脂紧密地包裹住，
11
b.等离子体处理对纤维表面形貌的影响
未处理碳纤维表面的AFM照片 经等离子体处理后碳纤维表面的AFM照片
由原子力显微镜照片可见，未经等离子体处理的碳纤维表面较为 光滑，纤维表面仅有少量较浅的沟槽；
经过等离子体处理后，碳纤维表面的沟槽数量增加，并且沟槽的 深度变深，增加了纤维表面与树脂基体的接触面积，有利于提高复合 材料界面的粘结性能。
• 最常用的氧化剂：硝酸
用硝酸氧化碳纤维,可使其表面产生羧基、羟基和酸性基 团, 氧化后的碳纤维表面所含的各种含氧极性基团和沟壑 明显增多,利于提高纤维与基体材料之间的结合力。
➢ 比气相氧化温和, 一般对碳纤维不产生过度的凹坑和裂解, 在一定条件下含氧基团数量较气相氧化多。
17
• 内容仅供参考，如果您需解决具体问题(尤 其法律、医学等领域)，建议您详细咨询相 关领域专业人士。
➢ 第二，产生适合于粘结的表面形态。
增加表面粗糙度有利于碳纤维与基体树脂的机械嵌合,增强锚锭 效应。
➢ 第三，改善树脂和增强材料的亲和力。
引进具有极性或反应性官能团，及能与树脂起作用的中间层，如 —COOH，—NH2，—OH等。
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➢等离子体处理对复合材料层间剪切破坏断面的SEM分析
未经等离子体处理
等离子处理后
未经等离子体处理的碳纤维复合材料断口中，纤维与基体树脂间存在明显
缝隙，纤维表面粘有的树脂较少，表面较为光洁，破坏多发生在界面上。
经过等离子体处理后的碳纤维复合材料经层间剪切破坏后，纤维与树脂基
体间结合紧密，纤维表面粘附的树脂较多，而且纤维被树脂紧密地包裹住，
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b.等离子体处理对纤维表面形貌的影响
未处理碳纤维表面的AFM照片 经等离子体处理后碳纤维表面的AFM照片
由原子力显微镜照片可见，未经等离子体处理的碳纤维表面较为 光滑，纤维表面仅有少量较浅的沟槽；
经过等离子体处理后，碳纤维表面的沟槽数量增加，并且沟槽的 深度变深，增加了纤维表面与树脂基体的接触面积，有利于提高复合 材料界面的粘结性能。
• 最常用的氧化剂：硝酸
用硝酸氧化碳纤维,可使其表面产生羧基、羟基和酸性基 团, 氧化后的碳纤维表面所含的各种含氧极性基团和沟壑 明显增多,利于提高纤维与基体材料之间的结合力。
➢ 比气相氧化温和, 一般对碳纤维不产生过度的凹坑和裂解, 在一定条件下含氧基团数量较气相氧化多。
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• 内容仅供参考，如果您需解决具体问题(尤 其法律、医学等领域)，建议您详细咨询相 关领域专业人士。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
生产工艺改进
针对PAN基碳纤维复合材料生产过程中存在的能耗高、污染重等问题 ，研究者们不断改进生产工艺，提高生产效率和环保性。
未来发展趋势预测与挑战分析
高性能化
未来PAN基碳纤维复合材料将继续向高性能化方向发展， 以满足高端应用领域对材料性能的更高要求。
绿色环保
随着环保意识的提高，PAN基碳纤维复合材料的绿色生产 将成为未来发展的重要趋势，包括采用环保原料、优化生 产工艺等。
耐疲劳性
碳纤维复合材料具有良好 的耐疲劳性能，能够承受 长期的交变载荷作用。
热稳定性及耐候性评估
热稳定性
PAN基碳纤维在高温下能 够保持较好的稳定性，不 易发生热分解或氧化反应 。
耐候性
碳纤维复合材料具有良好 的耐候性能，能够抵抗紫 外线、酸雨等自然环境的 侵蚀。
耐腐蚀性
由于碳纤维的化学稳定性 较高，因此它对于多种化 学物质都具有良好的耐腐 蚀性。
汽车工业领域应用
轻量化
碳纤维复合材料具有密度小、比 强度高、比模量高等优点，是实 现汽车轻量化的理想材料，可用
于车身、底盘等结构件。
安全性
碳纤维复合材料在碰撞时能够吸收 大量能量，提高汽车的安全性。
舒适性
碳纤维复合材料具有良好的阻尼性 能，能够降低汽车行驶过程中的振 动和噪音，提高乘坐舒适性。
体育器材领域应用
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料的制备工艺主要包括原丝 制备、预氧化、碳化、石墨化 等步骤，通过控制工艺参数可 以得到不同性能的复合材料。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料在航空航天、汽车、体育 器材、建筑等领域具有广泛的 应用前景，如飞机结构件、汽 车轻量化部件、高性能运动器 材等。
02
CATALOGUE
针对PAN基碳纤维复合材料生产过程中存在的能耗高、污染重等问题 ，研究者们不断改进生产工艺，提高生产效率和环保性。
未来发展趋势预测与挑战分析
高性能化
未来PAN基碳纤维复合材料将继续向高性能化方向发展， 以满足高端应用领域对材料性能的更高要求。
绿色环保
随着环保意识的提高，PAN基碳纤维复合材料的绿色生产 将成为未来发展的重要趋势，包括采用环保原料、优化生 产工艺等。
耐疲劳性
碳纤维复合材料具有良好 的耐疲劳性能，能够承受 长期的交变载荷作用。
热稳定性及耐候性评估
热稳定性
PAN基碳纤维在高温下能 够保持较好的稳定性，不 易发生热分解或氧化反应 。
耐候性
碳纤维复合材料具有良好 的耐候性能，能够抵抗紫 外线、酸雨等自然环境的 侵蚀。
耐腐蚀性
由于碳纤维的化学稳定性 较高，因此它对于多种化 学物质都具有良好的耐腐 蚀性。
汽车工业领域应用
轻量化
碳纤维复合材料具有密度小、比 强度高、比模量高等优点，是实 现汽车轻量化的理想材料，可用
于车身、底盘等结构件。
安全性
碳纤维复合材料在碰撞时能够吸收 大量能量，提高汽车的安全性。
舒适性
碳纤维复合材料具有良好的阻尼性 能，能够降低汽车行驶过程中的振 动和噪音，提高乘坐舒适性。
体育器材领域应用
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料的制备工艺主要包括原丝 制备、预氧化、碳化、石墨化 等步骤，通过控制工艺参数可 以得到不同性能的复合材料。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料在航空航天、汽车、体育 器材、建筑等领域具有广泛的 应用前景，如飞机结构件、汽 车轻量化部件、高性能运动器 材等。
02
CATALOGUE
PAN基碳纤维复合材料
预氧化（稳定化）
原丝的化学结构发生变化，转化成为可以承受高温处 理的梯形高分子结构，其很大程度上决定了纤维的最终结 构及其最终的力学性质。
主要发生的反应为脱氢、环化及氧化反应。环化反应 是稳定化中最关键的一步。
碳化
一、1500℃的热处理（炭化）
所有非碳元素均以适当形式的副产物而消除，并形成了类石墨结构。
前景达210亿元。
贰
PART TWO 结构特性 PAN基碳纤维的碳化率高于黏胶基碳纤
维和沥青基碳纤维（可达到45%以上），且
力学性能，尤其是抗拉强度、抗拉模量等为
节气 特辑
三种碳纤维之首。
PAN碳纤维原丝微观图
【1】PAN碳纤维原丝截面图
【2】PAN纤维截面SEM照
【3】PAN碳纤维表面结构
PAN基碳纤维的主要性能
高温碳化温度处理 后杨氏模量的变化
肆
PART FOUR 用途
PAN基碳纤维不仅力学性能居三种碳纤维之首，并且 在生产流程、溶剂回收、三废处理等方面都比黏胶基碳纤 维和沥青基碳纤维简单、成本低。这也就决定了其的应用 领域最广，产量最大。
PAN基碳纤维复合材料的应用
1.航空航天：航天飞机、运载 火箭、导弹卫星、民用商业飞 机
外文文献
聚丙烯腈(PAN)是一种用途广泛的人造聚 合物，自上世纪40年代中期首次大规模 生产以来，已在大量产品中得到应用。在 PAN的所有应用中，应用最广泛的是用于 制造碳纤维的前驱纤维。PAN基碳纤维生 产过程包括纺丝、热稳定和炭化三个阶段。 PAN基碳纤维的性能与前驱纤维的质量， 特别是与热稳定化的工艺参数密切相关。 这篇论文是第一个全面的综述，提供了对 PAN 基碳纤维结构、性能和稳定过程之 间的联系的一般认识，以及使用数学建模 作为一个强大的工具，预测和优化所涉及 的过程。由于数学模型的承诺是预测系统 未来的行为和变量的价值，为不可见或未 测量的领域的变量;在工业4.0崛起的时代， 这篇综述将有助于进一步了解碳纤维制造 的复杂过程，并利用先进的数学模型，利 用机器学习技术来预测和优化一系列控制 PAN和合成碳纤维质量的关键因素。
PAN碳纤维
东邦Tenax：对其PAN原丝和碳纤维生产工艺和技术进行了重大创新，使生产效率提高 10～100倍。
东丽：丙烯腈（AN）与依糠酸（IA）在DMSO溶剂中进行溶液聚合时，加入少量平均 相对分子质量（Mz）约为580万的PAN然后将该聚合液通入氨气制成纺丝原液制得直 径为2.1μm、强度为7.2 GPa、模量为470GPa、抗压缩强度为1.6 GPa的超级碳纤维。
，是钢的7~9倍
。抗拉伸模量在 23000~43000M pa亦远高于钢。
基碳纤维密度在
1.75~1.93g/cm3 之间。
国际形势
PAN的选用
聚丙烯腈（PAN）在1961年通过Shindoin首次被认定作为碳纤维合适 的前驱体。 PAN的结构
PAN的影响因素： a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向； b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%; c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏; d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化 处理。 丙烯腈（AN）可以聚合本体聚合，悬浮液聚合，溶液聚合，并在乳液 通过将自由自由基，离子或原子转移自由基聚合。
聚丙烯腈基（PAN）碳纤维复 合材料
班级：11031101材料化学 姓名：黄洛玮 学号：1103860621
PAN碳纤维介绍
PAN的选取原因 PAN碳纤维的制备
PAN碳纤维的前景及国际形势
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维等 人造纤维或合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等过 程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
美国Hexcel公司
中国的碳纤维发展速度有待提高，需要我们继续不懈的努力
参考文献：
CarbonFibers:PrecursorSystems,Processing,Structure,and Properties.---------------------ErikFrank,LisaM.Steudle,DenisIngildeev,JohannaM.Spç rl,and MichaelR.Buchmeiser*
高性能纤维—碳纤维(纺织材料课件)
指标名称
密度／g．cm-3 强度／cN．tex-1 模量/ cN．tex-1 晶粒厚度／nm
取向角
普通型碳纤维 (A型或Ⅲ型)
1.71-1.93 91.8-140.7 9697．8-12390
<5.o >10°
高强型碳纤维 (C型或Ⅱ型)
1.69-1.85 132.8-177.4 13847-17723
子主链结构对纤维轴的择优取向，预氧化过程必须对纤维施加张力，
实行多段拉伸。
碳纤维制造过程式中最重要的环节
3 预氧化的炭化
预氧丝在惰性气体保护下，在800~1500℃范围内发生碳化反应。纤
维中的非碳原子如N 、H、O等元素被裂解出去，预氧化时形成的梯形大
分子发生交联，转变为稠环状结构。纤维中的含碳量从60%左右提高到
达1000kcal/kg。这些热量必须瞬间排除，否则会发生局部温度剧升
而导致纤维断裂，所以瞬时带走预氧化过程中释放出的反应热是设
备放大和工业生产的关键所在。
除此之外，在预氧化过程中还发生较大的热收缩。一方面是经过
拉伸的原丝，大分子链自然卷曲产生物理收缩。另一方面，大分子
环化过程中产生化学收缩。为了要得到优质碳纤维，继续保持大分
到使用要求。因此，在制备碳纤维工艺流程中都要设置碳纤维表面处理
工序和上浆工序。
表面处理工序主要使碳纤维表面增加含氧官能团和粗糙度，从而增
加纤维和基体之间粘结力，使其复合材料的层间剪切强度提高到80-
120MPa，从而使碳纤维的强度利用率由60%左右提高到80%~90%。
上浆工序的目的是避免碳纤维起毛损伤，所以碳纤维总在在保护胶液中
度和模量都十分高，而垂直于纤维轴向的强度和模量都很低，纤维
PAN碳纤维讲解
聚丙烯腈（PAN）碳纤维黄洛玮1103860621摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。
关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景1.概述碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
聚丙烯碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成为最主要的品种。
2.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。
碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。
碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。
PAN选用的原因：1、PAN结构式:这是迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体2、选用PAN原因：a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%;c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏;d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理。
PAN基碳纤维
PAN基碳纤维聚丙烯腈及沥青基碳纤维的工艺流程1.聚丙烯腈碳纤维：聚丙烯腈碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维，主要作复合材料用增强体。
无论均聚或共聚的聚丙烯腈纤维都能制备出碳纤维。
为了制造出高性能碳纤维并提高生产率，工业上常采用共聚聚丙烯腈纤维为原料。
对原料的要求是：杂质、缺陷少；细度均匀，并越细越好；强度高，毛丝少；纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好，通常大于80%；热转化性能好。
生产中制取聚丙烯腈纤维的过程如下：1)原丝的制备：先由丙烯腈和其他少量第二、第三单体(丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等)通过水相悬浮聚合、溶液聚合、乳液聚合或本体聚合共聚生成共聚聚丙烯腈树脂(分子量高于6～8万)，然后树脂经溶剂(硫氰酸钠、二甲基亚砜、硝酸和氯化锌等)溶解，形成粘度适宜的纺丝液，经湿法、干法或干-湿法进行纺丝，再经水洗、牵伸、干燥和热定型即制成聚丙烯腈纤维。
直径12um 左右。
2)原丝的预氧化：若将聚丙烯腈纤维直接加热易熔化，不能保持其原来的纤维状态。
因此，制备碳纤维时，首先要将聚丙烯腈纤维放在空气中或其他氧化性气氛中进行低温热处理，即预氧化处理。
预氧化处理是纤维碳化的预备阶段，过程中所发生的反应包括环化、脱氢及氧化，最后形成耐热梯型高分子。
一般将纤维在空气下加热至约270℃，保温0.5h～3h，聚丙烯腈纤维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后形成黑色的预氧化纤维。
3)碳化：将预氧化纤维在氮气中进行高温处理(l600℃)，即碳化处理，则纤维进一步产生交联环化、芳构化转化成稠环及缩聚等反应，并脱除氢、氮、氧原子，纤维中的含碳量从60%增加到95%,最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱层石墨结构的碳纤维,直径在6-7um。
4)石墨化：在氦气或氩气的保护下，碳纤维经过进一步高温处理，得到石墨纤维。
石墨化纤维处理是将碳纤维放在2500-3000℃的高温下，可得到含碳量在99%以上的更高模量的碳纤维。
碳纤维的制作过程 ppt课件
聚合物的线性结构使分子间排列得十分 紧密，在单位体积内可容纳很多聚合物分子。 这种高的密实性使纤维具有较高的强度。
苯环结构由于环内电子的共轭作用，使 纤维具有化学稳定性，不发生高温分解。又 由于苯环结构的刚性，使高聚物具有晶体的 本质，使纤维具有高温尺寸的稳定性。
10.2.2 芳纶纤维的基本性能
1972年又研制了以PRD--49命名的主缆纤要、维用涂。于漆绳织索物、、电带
1973年正式登记的商品名称为AR和AM带I状D纤物维，。以及防 弹背用心于等航。空、
ARAMID纤维包括三种牌号的产品，宇并航重、改造名船称。
PRD--49--IV改称为芳纶--29；
工业的复合 材料制件。
PRD--49--III改称为芳纶--49；
强度损失(%)
Kevlar-29 Kevlar-49
3
1
1
0
1.5
0
4.6
0
9.9
0
0
2
1.5
1.5
9.3
28
0
3.6
10.3 芳纶纤维的制造
1. 聚对苯撑对苯二甲酰胺的聚合
两个阶段
第一阶段
对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩 聚成对苯撑对苯二甲酰胺的聚合体。
第二阶段
聚合体溶解在溶剂中再进行 纺丝，制得所需要的纤维材料。
液相氧化的效果比气相氧化法好，条件适当时，复合材 料的剪切强度可增加1倍以上，而纤维的强度仅略有下降。
原因：液相时只氧化纤维表面，而气相氧化剂可能渗 透较深，尤其在表面有微裂和缺陷处。
但液相氧化多为间歇操作，处理时间长，操作繁 杂，难以和碳纤维生产线直接相连接。
10 芳纶纤维
10.1 概述 10.2 芳纶纤维的结构与特性 10.3 芳纶纤维的制造 10.4 凯芙拉纤维的制品 10.5 芳纶纤维及其复合材料的应用
苯环结构由于环内电子的共轭作用，使 纤维具有化学稳定性，不发生高温分解。又 由于苯环结构的刚性，使高聚物具有晶体的 本质，使纤维具有高温尺寸的稳定性。
10.2.2 芳纶纤维的基本性能
1972年又研制了以PRD--49命名的主缆纤要、维用涂。于漆绳织索物、、电带
1973年正式登记的商品名称为AR和AM带I状D纤物维，。以及防 弹背用心于等航。空、
ARAMID纤维包括三种牌号的产品，宇并航重、改造名船称。
PRD--49--IV改称为芳纶--29；
工业的复合 材料制件。
PRD--49--III改称为芳纶--49；
强度损失(%)
Kevlar-29 Kevlar-49
3
1
1
0
1.5
0
4.6
0
9.9
0
0
2
1.5
1.5
9.3
28
0
3.6
10.3 芳纶纤维的制造
1. 聚对苯撑对苯二甲酰胺的聚合
两个阶段
第一阶段
对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩 聚成对苯撑对苯二甲酰胺的聚合体。
第二阶段
聚合体溶解在溶剂中再进行 纺丝，制得所需要的纤维材料。
液相氧化的效果比气相氧化法好，条件适当时，复合材 料的剪切强度可增加1倍以上，而纤维的强度仅略有下降。
原因：液相时只氧化纤维表面，而气相氧化剂可能渗 透较深，尤其在表面有微裂和缺陷处。
但液相氧化多为间歇操作，处理时间长，操作繁 杂，难以和碳纤维生产线直接相连接。
10 芳纶纤维
10.1 概述 10.2 芳纶纤维的结构与特性 10.3 芳纶纤维的制造 10.4 凯芙拉纤维的制品 10.5 芳纶纤维及其复合材料的应用
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第八章 碳纤维
1
❖ 8.2.2碳纤维的制造 ❖ 玻璃纤维--熔融纺丝，芳纶纤维--溶液纺丝，而碳纤维是
以碳为主要成分的纤维状材料，只能以有机物为原料采用间 接法制造（由于至今尚未找到一种能够溶解碳的溶剂，要使碳熔融必 须在100个大气压和3800℃以上的高温时才能实现）。 ❖ 连续碳纤维的制造有机纤维碳化法；晶须或短纤维采用气 相法。
❖ ①干式纺丝方法是将纺丝原液经喷丝板从喷丝孔挤出于高 温的气体氛围中，使溶剂蒸发浓缩、固化的方法。
❖ 牵引速度受溶剂的蒸发速度制约。另外，采用干法生产的 纤维溶剂不容易洗净，如果纤维中残留少量溶剂，在预氧化 及碳化等一系列热处理过程中，溶剂挥发或分解会使纤维粘 结，并产生缺陷，所得碳纤维发脆或毛丝多、强度低。
8
❖ 通常应用的共聚单体是丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯 酸甲酯、衣康酸（CH2=COOHCH2COOH）等， 多采用丙烯腈(AN)-丙烯酸甲酯(MA)-依康酸(ITA) 三元共聚物或者AN-ITA二元共聚物，用量2%～ 5%。
9
❖ （3）由PAN聚合物纺丝
❖ 由PAN聚合物纺制PAN纤维，一般可采用湿纺、干喷湿 纺、干纺和熔纺等几种方式。
14
❖ （2）分子间脱HCN、氧化
CN
ห้องสมุดไป่ตู้
CN
CN
H2
H2
H2
随着纤维直径变细，碳纤维的强度提高。这可能是由于纤 维直径小，挥发物容易逸出，从而保持了结构的完整性。
4
三、性能特点 ❖ 由粘胶纤维制得的碳纤维，横截面形状大多不规则，一般呈 树叶状。性能平衡性较差，弹性系数较大，强度较低（拉伸强 度：2800MPa，模量350GPa） ，碳化收率较低（20%-30%） [聚丙烯腈基碳纤维为40%-60%，沥青基碳纤维为80%-90%] 。 ❖ 纤维中碱金属含量低于1*10-4，它还有灰分低、密度小、 导热性差等特点，除作为复合材料的增强体外，更适宜做耐烧 蚀功能复合材料。
❖ 均聚？共聚？
7
a、对于均聚PAN而言，加工碳纤维的稳定化过程中的环化 反应是自由基引发的，反应具有瞬时高速性，会迅速放出大 量的热，因而影响碳纤维的质量；高度结晶，溶解性不好、 可纺性较差. ❖ b、酸性共聚PAN ❖ 聚丙烯腈原丝中添加共聚组分是为了增进它的预氧化过程 和环化架桥作用。环化反应是通过离子型机理引发的，可降 低引发温度，一般为180℃左右。发热峰较宽，缓和放热反 应，牵伸容易，预氧化工艺容易控制，主链断裂飞丝现象减 少。
6
❖ 1、原丝的制备 ❖ （1）高性能原丝的质量要求 ❖ 用于制备碳纤维的PAN原丝应具备如下要求: ❖ ①结构均匀致密,纤维内、外部的缺陷少; ❖ ②金属等杂质含量低,溶剂残留量低; ❖ ③纤维的超分子结构规整,取向度高,结晶度高; ❖ ④纤维的物理机械性能优异; ❖ ⑤纤维纤度小,直径不匀率低; ❖ ⑥纤维的油剂或表面处理剂有利于原丝的预氧化和碳化等。 ❖ （2）PAN的制备
❖ ②湿式纺丝方法是纺丝原液从喷丝孔挤出之后直接进行凝 固。
❖ 随着牵引速度的增加，纺丝牵伸的倍率提高，在喷丝孔处 易产生断丝，所以提高纺丝速度是有限度的。
10
❖ ③干喷湿纺法
❖
是纺丝 原 液 经 喷 丝 板 喷 出 之 后 先 经 过
一 小 段 （ 3－10mm）空气层，然后再进入凝固
浴。
1-计量器 2-过滤装置 3-喷丝头 4-凝固浴 5-导丝钩
2
8.2.2.1 粘胶基碳纤维的制造
一、制备 粘胶纤维属于多糖类有机化合物，分子式(C6H10O5)n，粘
胶原丝具有环状分子结构，可以直接进行碳化或石墨化处理， 而制成粘胶基碳纤维。
粘胶基碳纤维的原料是含有纤维素结构的各种天然或人造 纤维。
木材、棉籽绒或甘蔗渣等天然纤维素与烧碱和CS2反应生 成纤维素磺酸钠，再溶解在稀氢氧化钠溶液中，成为粘稠的 纺丝原液，称为黏胶，湿法纺丝得原丝，经碳化石墨化制得。
成,易得高强度原丝. ❖ (c)空气层高度对纤维物理机械性能的影响很大，一般3-
10mm。较大的空气层高度有利于PAN大分子在拉伸力的 作用下取向，过大时从喷丝孔挤出的纺丝原液容易发生粘并, 而使纺丝无法顺利进行。 ❖ 原丝的结构均匀致密，强度可达到 7.62-10.88cN/dtex， 比湿法原丝的强度为 4.9－6.53cN/dtex 高 50% 以上 ， 因此要得到高强度的碳纤维采用干喷湿纺法较好。
3
二、热处理过程： 1）25℃～150℃温度下，脱去吸附水 2）150℃～240℃温度下，纤维素环脱水 3）240℃～400℃下，通过自由基反应，C-C，C-O键断裂，
生成水、CO和CO2等气体放出； 4）400℃以上，进行芳香化，放出氢气。
再升高温度时，进行碳化和石墨化过程。该过程中，纤维 的损失在90％以上。
12
❖
PAN纤维在张力下于空气中加热至180℃～300℃，加
热速率1～3℃/min。
❖ 发生环化、脱氢和氧化等反应。环化反应在整个分子链中 是不连续的，所以在分子链中无规地残留一些非环化单元， 成为断链的位置和质量损失的挥发气体源。
13
❖ 主要发生的反应：分子内环化、脱氢、氧化，分子间脱氢氰 酸、氧化。（1）分子内环化、脱氢、氧化
6-导丝辊 7-水洗浴
8-拉伸浴 9-紊流气体 10-热定型辊
11-油浴
12-干燥热辊 13-热空气 14-缠绕辊
PAN聚合物 硫氰化钠、硝酸、二甲基亚砜溶解黏度适宜的纺丝液（50 ~ 100Pas）干-湿 超声波处理的
凝固浴成型 水洗、牵伸、紊流气体开纤、热定型、上油、干燥、卷绕 前躯体
11
❖ 空气层作用： ❖ (a )空气层是有效的牵伸区，纺丝速度高。 ❖ (b) 可在空气层中形成一层致密的薄层,可以阻止大孔洞的形
5
8.2.2.2 聚丙烯腈基碳纤维的制造
❖ 一、 PAN选用原因 ❖ 1、PAN结构式
迄今发展高性能碳纤维最受人注目的先驱体。 2、选用PAN的原因 a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向； b、碳化收率（1000℃-1500℃）为50%～55%； c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏； d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和 经受高温碳化处理。
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❖ 8.2.2碳纤维的制造 ❖ 玻璃纤维--熔融纺丝，芳纶纤维--溶液纺丝，而碳纤维是
以碳为主要成分的纤维状材料，只能以有机物为原料采用间 接法制造（由于至今尚未找到一种能够溶解碳的溶剂，要使碳熔融必 须在100个大气压和3800℃以上的高温时才能实现）。 ❖ 连续碳纤维的制造有机纤维碳化法；晶须或短纤维采用气 相法。
❖ ①干式纺丝方法是将纺丝原液经喷丝板从喷丝孔挤出于高 温的气体氛围中，使溶剂蒸发浓缩、固化的方法。
❖ 牵引速度受溶剂的蒸发速度制约。另外，采用干法生产的 纤维溶剂不容易洗净，如果纤维中残留少量溶剂，在预氧化 及碳化等一系列热处理过程中，溶剂挥发或分解会使纤维粘 结，并产生缺陷，所得碳纤维发脆或毛丝多、强度低。
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❖ 通常应用的共聚单体是丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯 酸甲酯、衣康酸（CH2=COOHCH2COOH）等， 多采用丙烯腈(AN)-丙烯酸甲酯(MA)-依康酸(ITA) 三元共聚物或者AN-ITA二元共聚物，用量2%～ 5%。
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❖ （3）由PAN聚合物纺丝
❖ 由PAN聚合物纺制PAN纤维，一般可采用湿纺、干喷湿 纺、干纺和熔纺等几种方式。
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❖ （2）分子间脱HCN、氧化
CN
ห้องสมุดไป่ตู้
CN
CN
H2
H2
H2
随着纤维直径变细，碳纤维的强度提高。这可能是由于纤 维直径小，挥发物容易逸出，从而保持了结构的完整性。
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三、性能特点 ❖ 由粘胶纤维制得的碳纤维，横截面形状大多不规则，一般呈 树叶状。性能平衡性较差，弹性系数较大，强度较低（拉伸强 度：2800MPa，模量350GPa） ，碳化收率较低（20%-30%） [聚丙烯腈基碳纤维为40%-60%，沥青基碳纤维为80%-90%] 。 ❖ 纤维中碱金属含量低于1*10-4，它还有灰分低、密度小、 导热性差等特点，除作为复合材料的增强体外，更适宜做耐烧 蚀功能复合材料。
❖ 均聚？共聚？
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a、对于均聚PAN而言，加工碳纤维的稳定化过程中的环化 反应是自由基引发的，反应具有瞬时高速性，会迅速放出大 量的热，因而影响碳纤维的质量；高度结晶，溶解性不好、 可纺性较差. ❖ b、酸性共聚PAN ❖ 聚丙烯腈原丝中添加共聚组分是为了增进它的预氧化过程 和环化架桥作用。环化反应是通过离子型机理引发的，可降 低引发温度，一般为180℃左右。发热峰较宽，缓和放热反 应，牵伸容易，预氧化工艺容易控制，主链断裂飞丝现象减 少。
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❖ 1、原丝的制备 ❖ （1）高性能原丝的质量要求 ❖ 用于制备碳纤维的PAN原丝应具备如下要求: ❖ ①结构均匀致密,纤维内、外部的缺陷少; ❖ ②金属等杂质含量低,溶剂残留量低; ❖ ③纤维的超分子结构规整,取向度高,结晶度高; ❖ ④纤维的物理机械性能优异; ❖ ⑤纤维纤度小,直径不匀率低; ❖ ⑥纤维的油剂或表面处理剂有利于原丝的预氧化和碳化等。 ❖ （2）PAN的制备
❖ ②湿式纺丝方法是纺丝原液从喷丝孔挤出之后直接进行凝 固。
❖ 随着牵引速度的增加，纺丝牵伸的倍率提高，在喷丝孔处 易产生断丝，所以提高纺丝速度是有限度的。
10
❖ ③干喷湿纺法
❖
是纺丝 原 液 经 喷 丝 板 喷 出 之 后 先 经 过
一 小 段 （ 3－10mm）空气层，然后再进入凝固
浴。
1-计量器 2-过滤装置 3-喷丝头 4-凝固浴 5-导丝钩
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8.2.2.1 粘胶基碳纤维的制造
一、制备 粘胶纤维属于多糖类有机化合物，分子式(C6H10O5)n，粘
胶原丝具有环状分子结构，可以直接进行碳化或石墨化处理， 而制成粘胶基碳纤维。
粘胶基碳纤维的原料是含有纤维素结构的各种天然或人造 纤维。
木材、棉籽绒或甘蔗渣等天然纤维素与烧碱和CS2反应生 成纤维素磺酸钠，再溶解在稀氢氧化钠溶液中，成为粘稠的 纺丝原液，称为黏胶，湿法纺丝得原丝，经碳化石墨化制得。
成,易得高强度原丝. ❖ (c)空气层高度对纤维物理机械性能的影响很大，一般3-
10mm。较大的空气层高度有利于PAN大分子在拉伸力的 作用下取向，过大时从喷丝孔挤出的纺丝原液容易发生粘并, 而使纺丝无法顺利进行。 ❖ 原丝的结构均匀致密，强度可达到 7.62-10.88cN/dtex， 比湿法原丝的强度为 4.9－6.53cN/dtex 高 50% 以上 ， 因此要得到高强度的碳纤维采用干喷湿纺法较好。
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二、热处理过程： 1）25℃～150℃温度下，脱去吸附水 2）150℃～240℃温度下，纤维素环脱水 3）240℃～400℃下，通过自由基反应，C-C，C-O键断裂，
生成水、CO和CO2等气体放出； 4）400℃以上，进行芳香化，放出氢气。
再升高温度时，进行碳化和石墨化过程。该过程中，纤维 的损失在90％以上。
12
❖
PAN纤维在张力下于空气中加热至180℃～300℃，加
热速率1～3℃/min。
❖ 发生环化、脱氢和氧化等反应。环化反应在整个分子链中 是不连续的，所以在分子链中无规地残留一些非环化单元， 成为断链的位置和质量损失的挥发气体源。
13
❖ 主要发生的反应：分子内环化、脱氢、氧化，分子间脱氢氰 酸、氧化。（1）分子内环化、脱氢、氧化
6-导丝辊 7-水洗浴
8-拉伸浴 9-紊流气体 10-热定型辊
11-油浴
12-干燥热辊 13-热空气 14-缠绕辊
PAN聚合物 硫氰化钠、硝酸、二甲基亚砜溶解黏度适宜的纺丝液（50 ~ 100Pas）干-湿 超声波处理的
凝固浴成型 水洗、牵伸、紊流气体开纤、热定型、上油、干燥、卷绕 前躯体
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❖ 空气层作用： ❖ (a )空气层是有效的牵伸区，纺丝速度高。 ❖ (b) 可在空气层中形成一层致密的薄层,可以阻止大孔洞的形
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8.2.2.2 聚丙烯腈基碳纤维的制造
❖ 一、 PAN选用原因 ❖ 1、PAN结构式
迄今发展高性能碳纤维最受人注目的先驱体。 2、选用PAN的原因 a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向； b、碳化收率（1000℃-1500℃）为50%～55%； c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏； d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和 经受高温碳化处理。