炭纤维的制造和应用可追溯到1860年, 为了研制灯丝英国人首次制造了炭丝。1879年美国人爱迪生用炭丝做灯丝。1959年美国联合碳化公司(Union Carbide Corporation, UCC)以胶黏纤维(Viscose fiber)为原丝制成名为“Hyfil Thornel”的纤维素基炭纤维(Rayon-based carbon fiber); 1962年日本炭素公司制备出低模量聚丙烯腈炭纤维; 1963年英国航空材料研究所开发出高模量聚丙烯腈炭纤维。后来随着航天和军工的需求, 炭纤维的制造技术得到了飞速发展。炭纤维的种类也由原来的以天然物质如棉纱为原料而发展到以石油化工为原料的人工合成阶段, 产品性能和产量也得到了大大提高。
图2-1 工业用炭纤维
经过多年的研究与发展, 得出如下经验: 要制造长的炭纤维丝, 只能通过高分子有机纤维的固相炭化来得到。但是也不是所有的高分子有机纤维都能通过固相炭化得到炭纤维的。炭纤维是有机纤维经过固相反应转变而成的纤维状聚合物炭, 即小晶体聚集态的非金属材料, 但它不属于有机纤维范畴。适合制作炭纤维的原料大概有如下几种: 聚丙烯腈基纤维、 沥青基纤维、 黏胶基纤维、 木质纤维素纤维以及其他有机纤维基(各种天然纤维、 再生纤维、 缩合多环芳香族合成纤维)纤维等。炭纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料, 不同于有机纤维或无机纤维, 不能用熔融法或溶液法直接纺丝, 只能以有机物为原料, 采用间接方法制造。主要由气相法和有机纤维炭化法制造而得。
气相法是在惰性气氛中小分子有机物(如烃或芳烃)在高温下沉积成纤维, 用这种方法只能制造晶须或短纤维, 不能制造连续长丝。有机纤维炭化法是先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维, 然后在惰性气氛中于高温下进行焙烧炭化, 使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子, 形成以碳为主要成分的纤维状物, 该法可以制造连续长纤维。到目前为止, 制造炭纤维的原材料主要有三种: 黏胶纤维、 沥青和聚丙烯腈。无论用何种原丝纤维来制造炭纤维, 都要经过五个阶段, 即拉丝、 牵伸、 稳定、 炭化和石墨化。炭纤维的密度在1.5~2.0 g/cm3之间, 其热膨胀性能和导热性能均有各向异性的特点。表2-1为几种常用炭纤维的性能[1]。
表2-1 几种常用炭纤维的性能比较
