碳纖維的結構、性能和主要用途

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以丙烯腈基碳纖維為例，經(jīng)致密化牽伸之后的丙烯腈纖維中碳鏈伸直（由于碳原子價(jià)電子σ—π價(jià)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(guò)程中，腈基先環(huán)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(huán)化，最后氧化），如圖所示。然后在８００～１６００℃高溫碳化過(guò)程中，進(jìn)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(huán)結構的碳纖維（在加工過(guò)程中還要注意，預氧化過(guò)程是一種放熱反應，必須將大量的熱能導走，以防過(guò)高溫度破壞高聚物結構；以上反應過(guò)程中纖維會(huì )縮短，應注意及時(shí)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(huán)化與氧化反應

3.碳纖維的主要用途
- g3 G/ y  O8 n1 \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(shù)脂、金屬、陶瓷、無(wú)定形碳等。碳纖維與高聚物樹(shù)脂的復合材料具有質(zhì)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(diǎn)。碳纖維與無(wú)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(chē)盤(pán)的重要制造原料。同時(shí)，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(chǎn)能力已達５萬(wàn)噸／年。

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(xué)腐蝕，以及防水、耐輻射等性能。

2.碳纖維的性能
: ~; {  j1 Q* p幾種主要碳纖維的力學(xué)性能見(jiàn)表。
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　幾種主要碳纖維的力學(xué)性能

類(lèi)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(zhì)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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