现代碳纤维工业化的路线是前驱纤维炭化工艺法,所用3种原料纤维的组成、碳含量等见表。制造碳纤维用的原纤维名 称化学组分碳含量/%碳纤维收率/%黏胶纤维(C6H10O5)n4521~35聚丙烯腈纤维(C3H3N)n6840~55沥青纤维C,H9580~90采用这3种原纤维制造炭纤维的流程都包括:稳定化处理(在200~400℃空气,或用耐燃试剂等化学处理),碳化(400~1400℃,氮气)和石墨化(1800℃以上,氩气气氛下)。为了提高炭纤维与复合材料基质的粘接性能需进行表面处理、上浆、干燥等工序。
另一种制造碳纤维的方法是气相生长法。将甲烷与氢的混合气体在催化剂的存在下,于1000℃高温下反应,可制得不连续的短切碳纤维,大长度可达50 cm。其结构不同于聚丙烯腈基或沥青基碳纤维,易石墨化,力学性能良好,导电性高,易形成层间化合物。(见气相生长炭纤维)。
20世纪70年代末期,国际理论与应用化学联合会(IUPAC)曾对炭纤维的分类和命名作了规定。用PAN(聚丙烯腈),MP(中间相沥青)及VS(黏胶)表示碳纤维的类别,再以小写英文字母表示热处理温度如lht(表示热处理温度,低于1400℃),hht(热处理温度在2000℃以上),然后再加上表示性能的符号(如HT表示高强、HM高模、SHT强、HTHS高强高应变、IM中模及UHM模等)。
同时指出,聚丙烯腈基,黏胶基及普通型沥青基碳纤维均属难石墨化的聚合物炭,而中间相沥青基炭纤维及气相生长的碳纤维是易石墨化碳。这两种分级法都有不足之处。现在碳纤维产品分类由制造商自行标明:原纤维种类、单丝孔数、直径、排列方式(如平行、缠结、加捻等),有无表面处理(及其种类),有无上浆(及浆剂种类)等。一些重要的商品名称及性能,可见聚丙烯腈基炭纤维和沥青基炭纤维。
碳纤维复合材料是指以碳纤维为增强体,树脂、金属、陶瓷等为基体的复合材料的总称。碳纤维复合材料自20世纪50年代面世以来,因其特的性能,主要用于火箭、航天、航空等科学技术,随着碳纤维复合材料性能的不断完善和提高,目前在航空航天、石油化工、交通运输、土木工程、风力发电、体育产品等领域得到广泛应用。航空工业较早大量采用碳纤维复合材料,碳纤维复合材料能够减轻机身重量,同时具备耐腐蚀、抗疲劳等优良性能。
短切碳纤维有什么与众不同之处?短切碳纤维是由碳纤维长丝经纤维切断机短切而成,其基本性能主要取决于其原料——碳纤维长丝的性能。短切碳纤维具有分散均匀、喂料方式多样、工艺简单等的优点,可以应用于碳纤维长丝所不适合的特殊领域。