高性能炭纤维

　　炭纤维是与石墨结构类似但强度高、重量轻的纤维材料，兼具耐高温、导热、导电等优良特性，广泛应用于航空航天、汽车、体育用品等领域，受到社会广泛关注。本书深入浅出地阐述了炭纤维的主要结构特征及其与力学性能的关系，从而明确了制备理想结构炭纤维的努力方向，即轴向高取向、断面多乱层、整体均匀少缺陷（孔隙和皮芯结构）。以此为主线，分别阐述了聚丙烯腈、中间相沥青和黏胶基炭纤维制备工艺过程中的科学问题和工程问题，本书编著目的在于能够为有志于了解和从事炭纤维的领导、学者和科研生产人员提供一个通向炭纤维自由王国的桥梁。

　　吕永根，男，1966年生，东华大学材料科学与工程学院教授。1989年毕业于太原工业大学，并获得学士学位；1998年于中国科学院山西煤炭化学研究所从事中间相沥青基炭纤维、炭微球的研究，并获得博士学位。2000年3月~2001年8月，赴韩国浦项产业科学研究院做访问学者，主要从事石油沥青及树脂基炭微球的研究。2001年9月，开始从事聚丙烯腈炭纤维的研究。2003年12月调入东华大学继续从事炭纤维的研究。至今，从事炭纤维研究二十余年，先后承担了“国家自然科学基金重点项目”和国家“973”项目子课题，并参加了国家“863”重大专项和上海市科委重点项目。已发表文章百余篇，且获得授权发明权利十余项。其中，对于聚丙烯腈炭纤维、沥青基炭纤维和黏胶基炭纤维都有较深的理论研究和技术探索。本书，深入浅出地阐述了炭纤维的主要结构特征及其与力学性能的关系，从而明确了制备理想结构炭纤维的努力方向，即轴向高取向、断面多乱层、整体均匀少缺陷（孔隙和皮芯结构）。以此为主线，还分别阐述了聚丙烯腈、中间相沥青和黏胶基炭纤维制备工艺过程中的科学问题和工程问题。

第1章绪论1
1.1炭纤维的性质、定义及分类1
1.2炭纤维的应用3
1.3炭纤维的制备5
参考文献5
第2章炭纤维的结构和性能7
2.1石墨的结构与性质7
2.2炭纤维的结构与力学性能模型8
2.2.1均匀应力模型9
2.2.2弹性解皱模型12
2.2.3均匀应变模型13
2.3炭纤维的结构性能表征13
2.3.1拉伸性能13
2.3.2炭纤维表面结构与性能18
2.3.3导热导电性能24
2.3.4微晶参数26
2.3.5缺陷28
2.4炭纤维复合材料力学性能32
2.4.1弯曲性能测试方法32
2.4.2压缩性能测试方法32
参考文献33
第3章聚丙烯腈炭纤维35
3.1目前国内外发展水平35
3.1.1国外发展水平35
3.1.2国内发展水平38
3.2制备工艺及成本构成分析40
3.2.1制备工艺40
3.2.2成本构成42
3.3聚合43
3.3.1科学问题43
3.3.2工程问题49
3.4纺丝55
3.4.1科学问题55
3.4.2工程问题71
3.5不熔化81
3.5.1科学问题81
3.5.2工程问题104
3.6炭化过程107
3.6.1科学问题107
3.6.2工程问题113
3.7石墨化过程116
3.7.1纤维物理化学结构的转变116
3.7.2石墨化工艺条件对纤维结构性能的影响121
3.7.3新的石墨化工艺研究125
3.8炭纤维表面性质及处理方法130
3.8.1炭纤维表面氧化131
3.8.2工程问题136
参考文献137
第4章中间相沥青基炭纤维143
4.1目前国内外发展水平143
4.1.1国外发展水平143
4.1.2国内发展水平147
4.2制备工艺概述147
4.3沥青原料149
4.3.1煤焦油与石油渣油的纯化与精制151
4.3.2各向同性沥青的制备152
4.3.3中间相沥青的制备156
4.4纺丝169
4.4.1连续牵伸法169
4.4.2喷吹法183
4.5不熔化185
4.5.1不熔化反应机理186
4.5.2不熔化反应对纤维结构性能的影响187
4.6炭化和石墨化192
4.6.1类石墨结构的形成与发展192
4.6.2畴结构与孔隙195
4.7沥青基炭纤维的结构与性能197
4.7.1结构与拉伸性能的关系197
4.7.2结构与抗氧化性能的关系199
参考文献200
第5章黏胶基炭纤维206
5.1目前国内外发展水平206
5.1.1国外发展水平206
5.1.2国内发展水平208
5.2制备工艺概述208
5.3黏胶纤维的制备208
5.3.1纤维素的制备209
5.3.2黏胶纤维的制备211
5.4黏胶炭纤维的制备222
5.4.1酸洗、水洗及催化剂浸渍222
5.4.2纤维素的裂解机理223
5.4.3黏胶纤维的前处理228
5.4.4炭化235
5.4.5石墨化236
5.4.6黏胶基炭纤维的结构237
5.5新型纤维素纤维制备工艺及炭化研究239
5.5.1Lyocell纤维240
5.5.2纤维素氨基甲酸酯纤维240
参考文献242