碳纤维微观结构
T1000 级碳纤维及其复合材料研究与应用进展
摘要本文介绍了T1000 级碳纤维的发展历程，综述了T1000 级碳纤维及其复合材料的研究及应用情况，指出了国产T1000 级碳纤维应用研究需要关注的问题。
1引言碳纤维是一种碳元素组成占总质量90％以上，具有高强度、高模量、耐高温等优点的纤维材料。
最早可追溯至18 世纪的爱迪生和斯旺，1959年日本首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，而当下碳纤维的核心技术和产能被日本、美国以及一些欧洲发达国家和地区掌控。
T1000 级碳纤维作为碳纤维中的高端产品，在航空航天领域有着极大的用途。
高性能碳纤维的研究可以改善固体火箭发动机消极质量、提升载药量、提高质量比，对于先进武器的发展研究以及航天探索有重大意义。
目前国外已经大量使用T1000 级碳纤维的缠绕容器和固体火箭发动机壳体，因此开展国产T1000级碳纤维及其复合材料的应用研究迫在眉睫。
碳纤维的制备包括物理、化学、材料科学等多个领域的内容，总体分为纺丝原液的聚合、聚丙烯腈原丝的纺制、预氧化和碳化三个步骤，有众多因素需要调控。
根据缺陷理论和最弱连接理论，制备过程中产生的缺陷是影响碳纤维性能的主要因素，为保证碳纤维的性能，需要对每个工艺流程中工艺参数精准调控，由于加工过程中的各参数之间相互作用十分复杂，且目前一些工艺流程中的实际形成和演变机理不明，也使得高性能碳纤维，尤其是T1000 级碳纤维的研制有很大困难。
T1000 级碳纤维的研究主要包括碳纤维本身性能的研究、碳纤维复合材料的改性研究、碳纤维复合材料使用性能的研究几个方面。
由于T1000 级碳纤维本身的高性能、价格昂贵等原因，且国产T1000 级碳纤维还没有正式投入应用的报道，在实际应用方面主要介绍国外T1000 级碳纤维在航空航天以及其他领域的应用情况。
2T1000 级碳纤维性能研究现状1962 年正式开展PAN 基碳纤维的研制，1986 年研制出T1000G 碳纤维。
2014 年 3 月，通过碳化精细控制技术在纳米层级内控制纤维结构，成功研发出T1100G 碳纤维，2017 年 6 月强度由6600MPa 更新至7000MPa，目前东丽已完成了T1200 碳纤维的量产。
聚丙烯腈基碳纤维
聚丙烯腈基碳纤维作者：黄夏来源：《科学与财富》2011年第09期[摘要] 本文对聚丙烯腈基碳纤维的微观和宏观结构进行了阐述，以及聚丙烯腈基碳纤维的制备方法、工艺流程以及生产过程中纤维形态结构和化学结构的变化以及碳纤维的表面改性，并从纤维结构的特点上阐述了聚丙烯腈独特的应用。
[关键词] 聚丙烯腈基碳纤维结构性能制备应用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，是指纤维化学组成中碳元素占总质量90%以上的纤维。
碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。
目前碳纤维的制备是利用现有的人造纤维或合成纤维，如PAN纤维、粘胶纤维等，经过预氧化热稳定后，再经炭化等工艺，间接制造具有一定性能的碳纤维，或者采用化学气相沉积方法制备纳米碳纤维或短碳纤维。
本文主要介绍以聚丙烯腈为前驱体制造的综合性能较好的碳纤维的结构性能，制备以及应用前景。
1、聚丙烯腈基碳纤维的结构碳纤维中主要是石墨和过渡态两种形式，而过渡态碳包括无定形碳、乱层石墨结构和一些三维石墨结构。
1.1微观结构构成碳纤维的基本结构是sp2型碳的原子条带组成，类似于石墨结构中的六元环网面但是在碳纤维中这样的二维面是不完整的，具有不规则的外形，带面内包含有空洞，原子错位等缺陷。
1.2宏观结构普遍认为碳纤维是由平行于纤维轴的二维乱层石墨微晶组成，并具有晶相结构、非晶相结构和针状微孔。
在乱层石墨结构中，石墨层片是基本的结构单元，一般由数十张层片组成石墨微晶，由石墨微晶再组成原纤维，最后由原纤维组成碳纤维单丝。
1.3形态结构PAN基碳纤维截面多为圆形或椭圆形，表面可以看到原纤结构。
碳纤维的纵向表面有许多与纤维轴平行的不均匀沟纹，在截面上还有皮芯结构及纤维表层圆周取向结构。
2、聚丙烯腈基碳纤维的性能碳纤维的比重轻、密度小具有超高强力与模量且纤维细而柔软具有很好的耐磨、耐疲劳、减震吸能等物理机械性能，化学性质稳定，耐酸、碱和盐腐蚀，可形成多孔表面活性、吸附性强的活性炭纤维。
碳纤维及无机纤维
一28一化纤文摘2006年第6期(第35卷)1O．碳纤维及无机纤维T Q346．320066184中间相碳纤维微观结构的形成W hi t e J．L．…；W orl d of C a r bon，2003，(2)，P．3(英)通过控制喷丝板中各向异性液体的流量，制造设计好微观结构的中间相碳纤维。
采用低黏度和不易受纺丝温度影响的中间相沥青，可以控制纺丝过程中中间相纤维的微观结构。
(李晶)碳纤维喷丝板微结构20066l85工艺对碳纤维结构和性能的影响E di e D．D．；W or l d of C ar bon，2003，(2)，p．24(英)评述两类主要碳纤维：聚丙烯腈基和中间相沥青基碳纤维的工艺流程。
同时也讨论了两种碳纤维的结构和性能间的关系，沥青基碳纤维在结构控制上的最新发展等。
(李晶)碳纤维聚丙烯腈基原丝沥青基原丝20066186中间相沥青基碳纤维的化学活性和氧化作用K i m Y．J．…；T ans o，2003，210，P．205(英)磨碎的中间相沥青基碳纤维(m M PC E)用于制造电子双层电容器(E D L C S)的极化电极。
m M PC E在物理和化学活性方法之间显示出相当不同的活性行为。
检验与氢氧化钾混合比的影响，并考虑了对非对称晶格结构的影响及对电容性能的氢化作用影响。
氢的还原反应不影响材料的孔结构，但仅仅除去含表面功能基团的氧是有效的。
氢化作用在实际应用中改善的最重要特性是有效的，如循环稳定性、库仑效应。
(汪兴华)碳纤维沥青基原丝产品应用20066187嵌入高冲击强度和刚性碳纳米管的增强复合材料El ect r ov ac Fabr i k at i o n El ek t r ot echni s ch er Spe zi al a rt i kel G．m．b．H；U S2005—49355(2003．2．19X英)可改善机械性能及耐燃性的复合物含有基质材料(如聚烯烃)和碳纳米管(如单壁墙纳米管，多壁纳米管或如鱼骨头的石墨柱等)，此复合物呈中空芯。
碳纤维的分子结构
碳纤维的分子结构碳纤维是一种由纯碳构成的纤维材料，其分子结构具有独特的特点和优势。
碳纤维的分子结构决定了其在材料科学和工程中的广泛应用，尤其在航空航天、汽车制造和体育器材等领域。
本文将对碳纤维的分子结构进行详细的描述和解析。
碳纤维的分子结构主要由碳原子构成。
在晶体结构中，碳原子以层状排列，每层都由六个碳原子构成一个环状结构，称为“芳香环”。
这种排列方式赋予了碳纤维优异的强度和刚度。
在芳香环之间，还存在着部分碳原子形成的“杂原子”，如氧、氮等。
这些杂原子的存在使碳纤维具有一定的化学活性，可以与其他材料进行复合，增加其应用范围和性能。
碳纤维的分子结构中还存在着一种重要的结构单元，即“层状结构”。
层状结构由多个芳香环排列而成，每个芳香环都与相邻的芳香环之间通过共面的方式相互连接。
这种层状结构的存在使得碳纤维具有较高的层间结合力和抗拉强度。
同时，层状结构的存在也限制了碳纤维的柔性和可塑性，使其更适合于制作刚性结构。
在碳纤维的分子结构中，还存在着一种特殊的结构单元，即“缺陷”。
缺陷是指碳纤维中存在的一些非晶态或畸变的结构，其主要由杂原子或缺失的碳原子引起。
虽然缺陷会降低碳纤维的强度和刚度，但也会增加其韧性和可塑性。
在实际应用中，通过调控缺陷的分布和数量，可以使碳纤维具备更好的综合性能。
除了上述的结构单元，碳纤维的分子结构还与其制备过程密切相关。
碳纤维的制备一般采用有机纤维的高温炭化和石墨化过程。
在高温下，有机纤维中的非碳元素会被逐渐去除，留下纯碳的骨架。
这种高温炭化和石墨化过程可以使碳纤维的纤维结构更加致密和有序，进一步提高其强度和刚度。
碳纤维的分子结构是由纯碳构成的，其中包括芳香环、杂原子、层状结构和缺陷等重要的结构单元。
这些结构单元决定了碳纤维的优异性能和广泛应用。
同时，碳纤维的分子结构还与其制备过程密切相关，通过控制制备工艺，可以调控碳纤维的结构和性能。
未来，随着碳纤维制备技术的不断发展，其分子结构的研究将进一步深入，为碳纤维的应用拓展提供更多的可能性。
沥青基活性碳纤维的微观结构及其储氢性能研究
２北京大学 稀 土材料化学及应 用 国家重 点实验室 ，北京 １０ ７ ） ． ０８１ 摘 要 ： 氢能是一种 清洁 的可再生 能源 ，由于传 统 的 储 氢材料 和储 氢技 术达 不到 氢燃 料 电池 电动 车的 实用
要求 ， 氢问题 已成为 氢能应 用 中最 急需解决 的关键 问 储 题 。用 Ｋ Ｈ 活化 法制备 了沥青基活性碳 纤维 ，利用低 ０
。
各种纳米碳管 的制备方法 中还没有 一种 能有效控 制
碳 管的孔径尺寸 、 长度 、 排列 以及其他微观 结构的性质 ，
这 使得 纳米 碳管材 料 的质 量千 差万 别 ，有 关其储 氢量
（ ． ％￣６ ％）报道 的数据 相 当分散 ，储 氢性 能难 以 ０ ５ ０ ７ 控制 １ 。 ２ ２ －１ 活性碳 纤维具有十分 优异 的性能 ， 在我 国得到 了广 泛 的研究 。从制 备过程 中预 氧化 、碳 化和活化机 理 、表 观 结构和孔 结构的探索 ，到新 品种新工 艺、新设 备的开 发 ，已取得 了大 量的研 究成 果 ，生产 工艺 日趋成 熟。但 相 对 国外 的研 究和产品 ，国内还有较大差距 。理论研 究 深 度和广 度不够 ，有重 大影响 的研 究成果不 多。纤 维的
活性碳 纤维 的Ｂ Ｔ比表面积和孔 结构 。 Ｅ 采用 日本 Ｓ ｚｋ ｕｕ ｉ Ｓｏａ ｈ ｋ ｎ公 司的 Ｐ Ｔ测量 系统 ，测试沥 青基活性碳纤维 Ｃ 的储氢性 能，在吸氢实 验 中，将样 品置于反应器 内，将 反应 器放 入装载液氮 的容器 中， 最大测试压 力为 ７ ａ ＭＰ 。
卫生等 方面 的应用 都较缺乏 。 活性碳 纤维 由于具有 发达的微孔 、 高比表面积而获
得 较 高的储 氢量 ，日益受到人们 的重视 。本文着眼于高 性 能活性碳 纤维的制备 ， 开发 储氢量 高的沥 青基活性碳
《无机复合材料及工艺》第二章——增强材料
3、碳纤维（Carbon fiber） (1)、引言
碳纤维属于高新技术产品，它不仅具有炭素材料的特性，如质量轻， 强度高，耐热，耐腐蚀，还具有金属材料的某些特性，具有良好的 导电和导热性，在各类复合材料（PMC、MMC、CMC和C/C）中得到广 泛应用。 碳纤维增强复合材料广泛应用于航空航天、军事、交通运输、机械 制造、电子工业、体育用品、建筑材料（修补）、生物材料、医疗 器具等各行各业。 碳纤维的大量和广泛应用与其价格的不断降低有关。随着碳纤维的 生产规模的扩大、其价格由原来的数千元/kg，降至数百元/kg。 碳纤维与玻璃纤维一样，可以进行编织成各种碳纤维布，或制成碳 纤维毡使用。
（4）玻璃纤维的特性和应用
特性：
典型性能： 密度：2.4～2.8 g/cm3 抗拉强度：3～4.6 GPa（为高强度钢的2～3倍） 弹性模量：70～110 GPa（与铝和钛合金模量相当） 比强度为：12.5～18.4×106 cm（为高强度钢的6～10倍） 比模量为：2.8～4.0×107 cm（略高于高强度钢） 不燃、不腐、耐热、高拉伸强度、小断裂延伸率、化学稳定性好、 电绝缘性能好；但不耐磨、脆而易折。 可加工成纱、布、带、毡等形状； 可作为有机高聚物基或无机非金属材料（如水泥）复合材料的增 强材料。
对结构复合材料而言，首先考虑的是增强材料的强度、模量和密度。 其与基体物理及化学相容性主要反映界面作用和影响。
二、纤 维（fiber）
直径细到几微米或几十微米，而长度比直径大许多倍的 材料。 其长径比（aspect ratio)一般大于1000。 作为增强材料使用时，纤维一般都具有高模量、高强度。 大多数是有机高分子纤维，也有无机纤维和金属纤维。 重点介绍：
(2)、碳纤维分类
碳纤维增强聚四氟乙烯材料微观结构
碳纤维增强聚四氟乙烯材料微观结构张万卿;李洪春;马海瑞【摘要】为了研究碳纤维增强聚四氟乙烯材料的最佳加工工艺,采用扫描电镜对碳纤维增强聚四氟乙烯材料的微观结构形貌进行了观察,并对碳纤维增强聚四氟乙烯材料的结晶形态和成型后毛坯的内部微观缺陷进行了对比研究和分析.研究表明:碳纤维增强聚四氟乙烯毛坯表面存在\"球状结晶\",无缺陷的毛坯内部不会产生\"球状结晶\";碳纤维增强聚四氟乙烯毛坯内部的气孔、分层缺陷在冷压过程中形成.减少碳纤维增强聚四氟乙烯粉料的团聚,能有效减少成型后毛坯内部气孔缺陷的产生;碳纤维增强聚四氟乙烯材料冷压时适当降低压制压力,能有效减少分层缺陷的产生.【期刊名称】《火箭推进》【年(卷),期】2019(045)002【总页数】5页(P74-78)【关键词】碳纤维增强聚四氟乙烯材料;微观结构;缺陷【作者】张万卿;李洪春;马海瑞【作者单位】西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100【正文语种】中文【中图分类】V2540 引言碳纤维增强聚四氟乙烯材料是由碳纤维和聚四氟乙烯共混而成的粉末状材料。
通过冷压、烧结后成型的碳纤维增强聚四氟乙烯毛坯具有韧性强和耐冲击性强等优点，而且比聚四氟乙烯有更高的机械强度及耐磨性[1-3]。
因此，该材料广泛应用于航天发动机的轴承零件[4-5]。
但此前因为毛坯试样断面制取困难，因此对碳纤维增强聚四氟乙烯材料及其冷压、烧结好的毛坯的微观结构形貌研究不够深入。
而对于聚四氟乙烯与碳纤维共混的这种很易结晶的高分子材料来说，研究其结晶形态以及成型后毛坯的内部微观缺陷对于其加工和使用有很强的指导意义[6]。
本文研究的碳纤维增强聚四氟乙烯材料是由5%的碳纤维与95%的聚四氟乙烯通过共混而成，采用液氮冷冻脆断的方法，制取试样断面，并通过扫描电镜观察碳纤维增强聚四氟乙烯材料的微观结构形貌对其进行研究。
热处理对PAN基碳纤维结构与性能的影响
Ｃ成ＳＨＣ，１Ｄ） 合ＡＹ Ｅ Ｂ０３Ｒ Ｈ Ｎ工 ＦＲＮ５ Ｉ纤维 业Ｅ，Ｓ Ｎ Ｔ Ｉ Ｕ： ２Ｉ Ｔ 兀 ０３ Ｙ （１
热 处理 对 Ｐ ＡＮ 基 碳 纤 维 结 构 与 性 能 的 影 响
靳玉伟 刘钟铃 高爱君 徐翊桄 徐棵华
１０ ２ ） ００ ９
（ 北京化工大学材料科学与工程学院碳纤 维及 功能高分 子教 育部 重点 实验 室 ， 北京
摘
要 ：以日本进 Ｉ ： １ 碳纤维 （ ０ 和国产聚丙烯腈基碳纤维 （ Ｃ ） Ｔ ０） ３ Ｇ Ｆ 为原材料 ， 采用 自制石墨化炉 ， 在一定
拉伸条件下 ， Ｔ３０及 ＧＣ 对 ０ Ｆ进行 １５０～２ １０℃热 处理 ， ０ ０ 制备 了不 同性能 的高模 量聚 丙烯腈 基碳 纤维 （ Ａ —Ｆ ） Ｐ Ｎ Ｃ ｓ 。采用广角 ｘ射线衍射 、 拉曼散射光谱 、 能材料测试 机等探讨 了在热处理 过程 中 Ｐ Ｎ Ｃ ｓ 万 Ａ －Ｆ 性 能的演变规律 ， 研究了 Ｐ Ｎ Ｃ ｓ Ａ — Ｆ 的力学性能与微观结构 。结果表 明： 随着热 处理温度升高 ，ＡＮＣ ｓ Ｐ ・Ｆ 的拉伸
射线衍 射 仪对纤 维进 行赤 道 、 午和 方位角 扫描 。 子
测试条 件 ： ｕ ｏ辐射 （Ａ为 ０ １４０ ９８ｎ ， Ｃ Ｋｔ ．５ ５ ｍ） 管 压 ４ Ｖ， ０ｋ 管流 ４ Ａ， 器用 硅 进 行校 正 。石 墨 ０ｍ 仪 微 晶堆 砌厚 度 （Ｌ 通 过 赤 道 扫 描 图 中 的 （ ０ ） ） ０２ 峰 计 算 ， 墨 微 晶 沿 纤 维 轴 方 向 的 基 面 宽 度 石 （ ） Ｌ 通过 子午 扫描 中 的 （ ０ ） １ ０ 峰计 算 ， 取 向度 而 （７ 则通 过 （ ０ ） 的方位 角扫描 图来 计算 。 ｒ） ０２ 峰
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碳纤维微观结构
碳纤维微观结构概述
碳纤维是一种由碳元素组成的纤维材料，具有轻量、高强度和高模量等优异性能。
其微观结构对其性能具有重要影响。
本文将从碳纤维的原子结构、晶体结构和纤维结构三个方面，对碳纤维的微观结构进行全面、详细、完整且深入地探讨。
原子结构
碳纤维的原子结构主要由碳原子组成。
碳原子是一种非常特殊的元素，其原子结构决定了碳纤维的一些独特性质。
碳原子的电子结构
碳原子的电子结构为1s2 2s2 2p2，其中1s层有2个电子，2s层有2个电子，2p 层有2个电子。
碳原子的电子结构使得其具有四个价电子，因此碳原子可以与其他碳原子形成共价键。
共价键的形成
碳原子通过共价键的形成与其他碳原子进行化学键合，形成碳链结构。
这种化学键合方式使得碳纤维具有高度的结晶性和稳定性。
晶体结构
碳纤维的晶体结构是指其内部排列的有序性。
晶体结构对碳纤维的力学性能和导电性能等起着重要作用。
石墨晶体结构
碳纤维的晶体结构主要是石墨结构。
石墨由一层一层的平行六角形碳原子构成，层与层之间通过范德华力相互作用。
这种结构使得石墨具有层间间隙，有利于碳纤维的导电性能。
石墨层的堆叠方式
碳纤维中石墨层的堆叠方式有AB型和ABC型两种。
AB型堆叠方式中，石墨层之间的平移距离为1/2个晶格常数；ABC型堆叠方式中，石墨层之间的平移距离为1/3个晶格常数。
不同的堆叠方式会影响碳纤维的晶体结构和性能。
纤维结构
碳纤维的纤维结构是指其纤维形态和纤维内部的结构排列。
纤维结构对碳纤维的力学性能和导热性能等起着重要作用。
高分子链的取向
碳纤维的高分子链在纤维中的取向对纤维的力学性能有着重要影响。
高分子链的取向决定了纤维的拉伸强度和模量等性能。
纤维的直径和长度
碳纤维的直径和长度对其力学性能和导热性能等起着重要作用。
直径较小的碳纤维通常具有较高的强度和模量。
纤维的排列方式
碳纤维的排列方式对其力学性能和导热性能等起着重要影响。
排列密实的碳纤维通常具有较高的强度和导热性能。
纤维的表面形貌
碳纤维的表面形貌对其界面黏结性能有着重要影响。
表面形貌的改变可以影响碳纤维与基体之间的黏结强度。
结论
碳纤维的微观结构对其性能具有重要影响。
碳纤维的原子结构、晶体结构和纤维结构决定了其力学性能、导电性能和导热性能等。
进一步研究和理解碳纤维的微观结构，有助于优化碳纤维的制备工艺和改善其性能，推动碳纤维在各个领域的应用。