什麼是碳纖維材料？

碳纖維(carbon fiber,簡稱CF),是一種含碳量在90%以上的高分子纖維狀碳材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。

碳纖維可通過高分子有機纖維的固相碳化或低分子烴類的氣相熱解來制取。上前世界上產生的銷售的碳纖維絕大部分都是用聚丙烯腈纖維的固相碳化制得的； 隻有在碳化過程中不熔融，不劇烈分解的有機纖維才能作為CF的原料。 有些纖維要經過予氧化處理後才能滿足這個要求。

1. 碳纖維的概念

碳纖維，英文為Carbon Fiber，簡稱CF。碳纖維是指由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，是纖維中含碳量在95%左右的碳纖維和含碳量在99%左右的石墨纖維。

2．碳纖維的結構

碳纖維的分子結構介於石墨與金剛石之間。目前公認的碳纖維結構是由沿纖維軸高度取向的二維亂層石墨組成。微晶的形狀、大小、取向以及排列方式與纖維的制備工藝相關。

2.1 結構單元

石墨：六方晶系

石墨的六方晶體結構

理想的石墨點陣結構屬六方晶系，真實的碳纖維結構屬於亂層石墨結構。

石墨層片的缺陷及邊緣碳原子

最基本的結構單元：石墨片層

二級結構單元：石墨微晶

二級結構單元：石墨微晶(由數張或數十張石墨片層組成)

碳纖維的三級結構單元：原纖維

三級結構單元：石墨微晶組成的原纖維。直徑在50nm左右，彎曲，彼此交叉的許多條帶狀組成的結構 ，條帶狀的結構之間存在針形空隙，大體沿纖維軸平行排列。

2.2 皮芯層結構

CF由皮層、芯層及中間過渡區組成。

皮層：微晶較大，排列有序。

芯層：微晶減小，排列紊亂，結構不均勻。

瀝青基石墨纖維端口，石墨片從芯部向外經向輻射，纖維表面有較淺的溝槽

3．碳纖維的缺陷

3.1 來源

碳纖維中的缺陷主要來自兩方面：原絲帶來的缺陷與碳化過程帶來的缺陷。

PAN碳纖維結構是高倍拉伸的、沿軸向擇優選向的原纖維和空穴構成的高度有序織態結構。在PAN碳纖維上存在異形、直徑大小不均、表面污染、內部雜質、外來雜質、各種裂縫、空穴、氣泡等。

原絲帶來的缺陷在碳化過程中可能消失小部分，但大部分將保留下來，變成碳纖維的缺陷。而碳化過程帶來的缺陷則在碳化過程中，大量非C元素以氣體形式逸出，使纖維表面及內部形成空穴和缺陷。絕大多數纖維斷裂是發生在有缺陷或裂紋的地方。

3.2 CF中缺陷的觀察研究手段：

掃描電鏡(SEM)：研究纖維表面缺陷

透射電鏡(TEM)：研究纖維內部結構

聚丙烯腈纖維內部缺陷的種類

4、碳纖維性質

4.1、碳纖維的物理性質如下：

(1)碳纖維的密度在1.5—2.0g/cm3之間，這除與原絲結構有關外，主要決定於炭化處理的溫度。一般經過高溫(3000℃)石墨化處理，密度可達2.0g/cm3。

(2)碳纖維的熱膨脹系數與其它纖維不同，它有各向異性的特點。平行於纖維方向是負值(-0.72×10-6～-0.90×10-6 K-1)，而垂直於纖維方向是正值(32×10-6～22×10-6 K-1)。

(3)碳纖維的比熱容一般為7.12×10-1KJ/(kg·K)。熱導率隨溫度升高而下降。

(4)碳纖維的比電阻與纖維的類型有關，在25℃時，高模量為775ìÙ/cm，高強度碳纖維為1500ìÙ/cm。碳纖維的電動勢為正值，而鋁合金的電動勢為負值。因此當碳纖維復合材料與鋁合金組合應用時會發生化學腐蝕。

4.2‘碳纖維的化學性質如下：

碳纖維的化學性質與碳相識，它除能被強氧化劑氧化外，對一般堿性是惰性的。在空氣中，溫度高於400℃時則出現明顯的氧化，生成CO與CO2。在不接觸空氣和氧化劑時，碳纖維具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高於1500℃時強度才開始下降，而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化，它還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。

表1 不同種類碳纖維的力學性能

碳纖維除瞭具有一般碳素材料的特性：耐高溫, 耐磨擦, 導電, 導熱及耐腐蝕等, 其外形有顯著的各向異性, 柔軟, 可加工成各種織物, 又由於比重小, 沿纖維軸方向表現出很高的強度, 碳纖維增強環氧樹脂復合材料, 其比強度、比模量綜合指標, 在現有結構材料中是最高的，碳纖維有極好的纖度（纖度的表示法之一是9000米長的纖維的克數），一般僅約為19克；拉力高達300KG/MM2；還有耐高溫、耐腐蝕、導電、傳熱、彭脹系數小等一系列優異性能。目前幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那麼多的優異性能。

4.3碳纖維化復合材料的優缺點

優點：

（1） 強度和彈性系數高、比重小（軸向強度和模量高）

（2） 疲勞強度高（耐疲勞性好）

（3） 比金屬的震動衰減性好

（4） 潛變小（無蠕變）

（5） 耐摩耗性佳，摩擦系數小

（6） 熱的扭安定性良好

（7） 極低溫度下的熱傳導性小

（8） 耐腐蝕及耐化學性優異

（9） 具有導電性但為非磁性體

（10） X光射線的透過性大

（11） 具有電波的遮蔽性

（12） 比熱及導電性介於非金屬和金屬之間，熱膨脹系數小，耐腐蝕性好，纖維的密度低，X射線透過性好

缺點：

（1）破壞伸度小，有剪斷或鉆孔時，靜力強度就會大幅度下降，而且耐沖擊強度低；

（2）和纖維方向相比，非纖維方向及層間的物性低落，在最後破壞前和纖維方向成90度的橫方向會龜裂，受沖擊時會產生層間剝離，因此受沖擊後殘存強度低落；

（3）在吸濕情況下，高溫時的物性低落。

（4）在強酸作用下發生氧化，與金屬復合時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。因此，碳纖維在使用前須進行表面處理

5、碳纖維分類

5.1按原絲類型分類

原絲類型分類

5.2按碳纖維性能分類

碳纖維性能分類

5.3按碳纖維的功能分類

碳纖維的功能分類

碳纖維於石墨纖維的區別：

碳纖維主要含無定形碳，碳含量約為95%，熱處理溫度1200-1500℃，

石墨纖維還有較多的結晶碳，碳含量99%以上，熱處理溫度2000℃以上，制造纖維時的溫度不同造成以上差別。

目前, 工業化生產碳纖維按原料路線可分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類, 但主要生產前兩種碳纖維。由粘膠纖維制取高力學性能的碳纖維必須經高溫拉伸石墨化,碳化收率低,技術難度大,設備復雜, 成本較高,產品主要為耐燒蝕材料及隔熱材料所用；由瀝青制取碳纖維,原料來源豐富,碳化收率高,但因原料調制復雜、產品性能較低,亦未得到大規模發展；由聚丙烯腈纖維原絲制得的高性能碳纖維,其生產工藝較其他方法簡單,而且產品的力學性能優良,用途廣泛,因而自20世紀60年代問世以來,取得瞭長足的發展, 其產量約占全球碳纖維總產量的90%以上,成為當今碳纖維工業生產的主流。