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碳纖維可能是最近 35 年來被商業(yè)化的碳制品中最成功的一項(xiàng)。對于其研究至今仍在火熱進(jìn)行中，而碳纖維更進(jìn)一步在熱處理方面發(fā)展出新的應(yīng)用類型。同其他的制品商業(yè)化的碳纖維表現(xiàn)出一致性的機(jī)械及傳輸性質(zhì)，而且由于對每一種應(yīng)用的最佳性質(zhì)或許會有所不同，因此自從 1960 年代英國的Union Carbide 公司首次將高性能碳纖維商業(yè)化后關(guān)于碳纖維本身微結(jié)構(gòu)的控制以及其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)間之關(guān)聯(lián)性便廣為各界研究。
1    碳纖維材料簡介
碳纖維是一種纖維狀碳材料。它是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。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。它是一種強(qiáng)度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼耐腐蝕性強(qiáng)、比耐熱鋼耐高溫、又能像銅那樣導(dǎo)電，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料。[6]

1.1  碳纖維的歷史
碳纖維的起源 1860年，英國人瑟夫·斯旺將細(xì)長的繩狀紙片碳化制取碳絲，以此制作電燈的燈絲。大約在1879年，他把棉紗浸入硫酸，焦干處理，然后碳化，或?qū)⑾趸�纖維素從膜孔中擠出成絲，然后在碳化，并獲得專利。由于當(dāng)時(shí)解決不了燈泡的真空問題，所以沒有實(shí)用化意義。但是，碳絲的起源或溯源點(diǎn)應(yīng)該是從他開始的。[3]

1.2  碳纖維的性質(zhì)
碳纖維是含碳量高于90%的纖維的總稱，因含碳量高而得名。碳纖維既具有元素碳的各種優(yōu)良性能，如比重小、耐熱、耐熱沖擊，耐化學(xué)腐蝕和導(dǎo)電等，又有纖維的可繞性和優(yōu)異的力學(xué)性能。特別是它的比強(qiáng)度和比模量高，在絕氧條件下，可耐2000℃的高溫，是一種重要的工業(yè)用纖維材料，適用于作增強(qiáng)復(fù)合材料、燒蝕材料和絕熱材料。它是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一種新型材料，現(xiàn)已成為現(xiàn)代社會不可缺少的一種新穎材料。[5]

1.3  碳纖維的制備
碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得；按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000兆帕（MPa）、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強(qiáng)度大于4000MPa的又稱為超高強(qiáng)型；模量大于450GPa的稱為超高模型。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)高伸型碳纖維，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。目前應(yīng)用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。碳纖維的制造包括纖維紡絲、熱穩(wěn)定化（預(yù)氧化）、碳化、石墨化等4個過程。其間伴隨的化學(xué)變化包括，脫氫、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等。[8]

2          碳纖維材料應(yīng)用
碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。傳統(tǒng)使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨(dú)使用，多作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料[4]。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可用作飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等。1994年至2002年左右，隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸進(jìn)入軍用和民用領(lǐng)域。現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)有使用長纖碳纖維制作國家電網(wǎng)電纜的使用案例多處。同時(shí)，碳纖維發(fā)熱產(chǎn)品，碳纖維采暖產(chǎn)品，碳纖維遠(yuǎn)紅外理療產(chǎn)品也越來越多的走入尋常百姓家庭。[7]

3          碳纖維的研究
近年來所有的商用碳纖維都是由碳質(zhì)的前軀體先轉(zhuǎn)變成纖維型態(tài)后再將前軀體纖維做交鏈反應(yīng)使其難以熔解最后再將交鏈后的前軀體纖維于惰性保護(hù)性氣體中加熱溫度從1200—3000。C左右，以除去非碳元素而制成碳纖維其最后的性質(zhì)主要由材料、制程與形成纖維前軀體的條件而定后處理步驟此指交鏈結(jié)合及碳化反應(yīng)為的是將已紡制過的結(jié)構(gòu)予以碳化而使結(jié)構(gòu)更完美但這也并不代表纖維的性質(zhì)在后處理時(shí)已無法改變?nèi)欢�不可否認(rèn)地具有高強(qiáng)度或高熱傳導(dǎo)率的碳纖維其基本結(jié)構(gòu)必須在一開始之纖維成型階段就已完成。[9]

3.1  PAN系碳纖維材料
PAN系碳纖維的結(jié)構(gòu)[10]就如同聚合纖維前軀體的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一樣，在本質(zhì)上是纖維絲狀的而PAN系碳纖維的模數(shù)在其橫截面上則是呈現(xiàn)變化性的。在一個最近的研究中，Huang 及Young[11]使用拉曼光譜證實(shí)了在PAN系碳纖維中的這種表面核心的結(jié)構(gòu)性差異。另外，Johnson[12]發(fā)現(xiàn)在纖維較外層的微晶之間有針狀空隙存在，而且在此區(qū)域內(nèi)之平面層基本上會平行于表面然而在核心區(qū)域平面層卻呈現(xiàn)大量的褶皺。PAN系碳纖維內(nèi)包含許多皺褶及連結(jié)的混亂堆疊碳層其層間距離比石墨要大很多。因此PAN系碳纖維具有低的石墨化程度，PAN系碳纖維內(nèi)的亂層結(jié)構(gòu)與 PAN 原纖的微纖結(jié)構(gòu)相似。雖然這些微纖內(nèi)的石墨亂層傾向于平行排列于纖維軸，但卻不是高度的排成一直線。
幾乎所有的工業(yè)用纖維都是由以下三種技術(shù)制造而成：熔融紡絲、濕式紡絲、干式紡絲。以上三種方法中由于熔融紡絲法是直接將純的前軀體轉(zhuǎn)變成纖維狀而不會摻有額外的溶劑，因此可降低溶劑回收的花費(fèi)問題，所以一般皆較喜愛使用此法為制程。然而若前軀體在熔點(diǎn)溫度附近有裂化現(xiàn)象就必須采用干式或濕式紡絲法[13]。其反應(yīng)歷程: PAN前軀體的制作→PAN纖維前軀體的制作→PAN纖維前軀體之穩(wěn)定化 →穩(wěn)定處理后PAN纖維之碳化。

3.2  瀝青系碳纖維材料
瀝青系碳纖維的前軀體為中間相瀝青，由于具有高度濃縮的芳香族結(jié)構(gòu)，使其熱穩(wěn)定性相當(dāng)好。基于此特性，中間相瀝青纖維前軀體便可利用熔融紡絲法制造。由于熔融紡絲法可以避免有關(guān)溶劑的問題，這種較不復(fù)雜的紡絲制程加上前軀體的消耗量可能較少，將使得瀝青系碳纖維成為 PAN 碳纖維的低成本替代品。但實(shí)際上瀝青纖維制程的經(jīng)濟(jì)學(xué)并不是這么地簡單。另一方面瀝青系碳纖維的基本結(jié)構(gòu)與PAN 系碳纖維差別極大。且各提供了一定的優(yōu)點(diǎn)就如 PAN 系碳纖維一般，瀝青系碳纖維的結(jié)構(gòu)在纖維成型時(shí)也會有巨大的發(fā)展。其反應(yīng)歷程: 中間相瀝青的制造→中間相瀝青纖維前軀體的制造→中間相瀝青纖維前軀體的穩(wěn)定化 → 中間相瀝青系纖維的碳化。[16]
而近年來對于瀝青系碳纖維之新發(fā)展有著明顯的效果[14]。碳纖維的性質(zhì)很明顯地是由形成的結(jié)構(gòu)所控制。碳纖維結(jié)構(gòu)的控制可藉由前軀體化性的改變及控制前軀體纖維成型時(shí)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，或者是調(diào)整纖維前軀體熱處理的狀態(tài)來加以改善。瀝青系碳纖維已具有近似 PAN 系碳纖維的強(qiáng)度此外作為熱處理的應(yīng)用方面超低電阻或高熱傳導(dǎo)率的新式瀝青系碳纖維也正在開發(fā)中。[15]
具有混亂或放射褶層結(jié)構(gòu)的中間相纖維會展現(xiàn)較高的抗拉或壓縮性質(zhì)。相較之下，具有線性橫向結(jié)構(gòu)的纖維則會發(fā)展成較好的晶格依賴性質(zhì)。如熱傳導(dǎo)性 [18] 。Rey 預(yù)測在高溫之下有利于洋蔥表面結(jié)構(gòu)的形成低溫有利于放射狀結(jié)構(gòu)的生成而混亂結(jié)構(gòu)則會在中間溫度時(shí)發(fā)生。雖然中間相瀝青系碳纖維是比 PAN 系碳纖維來得新的產(chǎn)品。研究者正開始在研發(fā)希望對于如何預(yù)測及控制它們的結(jié)構(gòu)能有進(jìn)一步的了解。大部分 PAN 系碳纖維的研究都將焦點(diǎn)集中在熱處理階段，而大部分中間相瀝青系碳纖維的研究則關(guān)注前軀體化性及纖維的成型。[17]

3.3  氣相成長系碳纖維材料
目前以碳源為苯，使用超微粒鐵系合金當(dāng)成觸媒，在前頭不斷誘導(dǎo)長成纖維形狀。苯在觸媒表面上方長成碳，溶入金屬粒中而飽和，在觸媒下部析出具有石墨構(gòu)造的碳反覆形成細(xì)長纖維熱分解碳，堆積于此細(xì)纖維。氣相成長碳纖維[19]在結(jié)構(gòu)上與納米碳管束類似，皆為中空的長管狀纖維，惟一般氣相成長碳纖維的要求是纖維愈粗愈長較佳，屬微米級，而納米碳管的直徑則較細(xì)屬于納米級。

3.4  新型碳纖維材料
相對于舊型碳的新型碳[20]，例如fullerenes、納米碳管束和微米碳都是在動力學(xué)的控制下，從碳的熱離子漿形成。在惰性氣體的氛圍下，在不同壓力將碳離子急速冷卻，以制造組元間致密的殼狀結(jié)構(gòu)。近年來研究的新型的碳纖維材料有納米碳管束、微米碳等。

4          結(jié) 語
作為新一代的碳纖維新材料擁有許多不為人知的性能和作用，各國科學(xué)家都在不懈努力研究。它的許多性能都能很好的應(yīng)用在人類的生活中，還有延伸應(yīng)用在光電科技上，是目前各先進(jìn)國家均研究重點(diǎn)，他們把碳纖維列入下一世紀(jì)之先鋒尖端材料。而我國經(jīng)過科技人員多年的艱苦努力，我國碳纖維技術(shù)已取得重大進(jìn)展，雖然還有諸多問題有待攻克，但我們已經(jīng)可以不再受制于人，所以我們則有待急起直追極力投入發(fā)展方能在下一世紀(jì)與世界同步。