沥青基碳纤维简介

沥青基碳纤维简介1、引言沥青基碳纤维是一种以石油沥青或煤沥青为原料，经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制得的含碳量大于92％的特种纤维。因其具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电与导热等优良性能，是航空航天工业中不可缺少的工程材料，另在交通、机械、体育娱乐、休闲用品、医疗卫生和土木建筑方面也有广泛应用，是一种属于军民两用的高技术纤维。2、发展历程沥青基碳纤维的研究开发始干20世纪50年代末期，60年代初由日本群马大学研制成功，在日本吴羽化学公司实现工业化生产，美国联合碳化物公司于1970年也成功开发出了以石油沥青为原料的沥青基碳纤维。我国对沥青基碳纤维的研制已有40年的历史，发展较慢，但由于生产成本较低，价格约为聚丙烯腈基碳纤维的1/3~1/4，这将为我国沥青基碳纤维的发展提供良好的机遇。3、性能碳纤维具有和碳类似的化学性质，在空中当达到400℃左右时会发生氧化反应生成CO2或者CO，但是当隔绝氧气后，使用温度可达到2000℃左右，并且温度越高，纤维强度越大。这些特点使得碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电与导热等优良性能。根据其性质的不同又可将碳纤维分为碳纤维有高强型(HT)、通用型(GP)、高模型(HM)、高强高模型(HP)等多种规格，其性能指标见表2：一般来说，沥青基碳纤维分为通用型沥青基碳纤维和高性能沥青基碳纤维两种。通用型沥青基碳纤维为各向同性型，其在结构上存在着不均匀性。既存在着有序排列程度较高的晶区，又存在着有序程度较低的非晶区。晶区由无规取向的片状微晶组成，微晶之间相互缠绕，并通过分叉形成网状结构。由发展不充分的微晶或无定形碳组成的非晶区镶嵌在微晶之间的“网眼”中。图1各向同性沥青基碳纤维的微观结构示意图4、沥青基碳纤维的制备工艺通用型沥青基碳纤维一般只能做复合材料增强剂、吸附剂、文文体用品等，因此对沥青的预处理没有太高的要求。下面就介绍一下通用型沥青基碳纤维制备过程。4.1原料沥青的精制沥青中，特别是煤焦油沥青中常含有游离炭和固体杂质，它们在纺丝过程中可能堵塞纺丝孔，细小颗粒残留在纤维中则是碳纤维的断裂源。此，必须对沥青进行精制，以除去这些不溶物杂质。通常采取的方法是在沥青中加入一定量的溶剂，并将沥青加热到100℃以上，用不锈钢网或耐热玻璃纤维等进行过滤，在热过滤过程中，还必须用一定的氮气进行保护，防止过滤时沥青的氧化。图2试剂调制后碳纤维的SEM图4.2沥青的调制沥青调制的目的一是除去沥青中的轻组份，防止在纺丝过程中产生气泡，造成丝的断裂；二是提高软化点，使分子量分布均匀。调制是通过沥青的热缩聚、加氢预处理、溶剂萃取的方法制取可纺沥青。调制的一般方法是空气吹扫法和热缩聚法。图3沥青热缩聚后的偏光显微图（其中a为煤沥青在370℃下缩聚4h，b为石油沥青在370℃下缩聚4h）当然各种调制后的沥青需要进行分离，主要用来分离的方法有沉降法和热滤法,超声波分离等等，从而达到出去各向同性沥青中的二次喹啉不溶物的目的。•4.3纺丝工艺碳纤维的纺丝方法主要有挤压法、离心法、熔吹法、涡流法。挤压法是用高压泵将熔化的高温液体沥青压入喷丝头，挤出成细丝；离心法是将熔化的高温沥青液体在高速旋转的离心转鼓内通过离心力作用被甩出立即凝固成纤维丝；熔吹法是将熔化的高温沥青液体送到喷丝头内，沥青液体从小孔压出后立即被高速流动的气体冷却和携带牵伸成纤维丝；涡流法是将高温液体沥青由热气流在其流出的切线方向吹出并被牵伸，所纺出的纤维具有不规则的卷曲。温度依赖性使纤维成形时的纺丝温度变得非常重要。纺丝温度的微小变化可导致纺丝压力波动很大。除此之外，挤出流速、收丝速度及这两者的比值(牵伸比)都会影响着碳纤维的机械性值。图4纺丝装置,其中a为喷溶装置，b为纺熔装置(a)(b)4.4沥青纤维的不熔化处理沥青纤维必须通过炭化，充分除去其中非碳原子，但由于沥青的可溶性和粘性，而不能形成单丝的碳纤维，所以必须先进行碳纤维的预氧化处理。同时还可以提高沥青纤维的力学性能。沥青纤维在氧化过程中发生了十分显著的化学变化和物理变化,其中最主要的变化是分子之间产生了交联，使纤维具有不溶解、不熔融的性能。目前，预氧化有气相法和液相法两种，气相法氧化剂通常采用空气、NO2、SO3、臭氧和富氧气体等；液相法氧化剂采用硝酸、硫酸、高锰酸钾和过氧化氢等溶液。图5HNO3（20wt％）处理后的碳纤维的SEM图4.5沥青基碳纤维的碳化和石墨化•预氧化后的沥青基碳纤维送到惰性气氛中进行炭化或石墨化处理，以提高最终力学性能。炭化是指在1200℃左右进行处理，而石墨化则是在接近3000℃的条件下进行。炭化时，单分子间产生缩聚，同时伴随着脱氢、脱甲烷、脱水反应，由于非碳原子不断被脱除，炭化后的纤维中碳含量可达到92％以上，单丝的拉伸强度、模量增加。4.6沥青基碳纤维的后处理•为进一步提高沥青纤维与复合基体的亲合力和粘结力，还必须对沥青纤维进行表面处理，以消除表面杂质，并在纤维表面形成微孔，增加表面能。但是这方面由于要根据具体的实际需要而定。•5沥青基碳纤维的应用领域碳纤维除用于高温绝热材料外，一般不单独使用，常加入到树脂、金属或陶瓷、碳、水泥等基体中，构成碳纤维增强复合材料，是一种极为有用的结构材料。它不仅质轻、耐高温，而且有很高的抗拉强度和弹性模量，具有广泛的应用领域前景。但是由于制作成本相对来说比较高，限制了其应用范围。现阶段主要应用于航空航天、体育及医疗用品、一般工业、土木建筑等。谢谢！