碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90%的特种纤维。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90%以上，成为最主要的品种。

    结构

    碳纤维是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成的所谓“乱层”结构，通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、大小和分布对碳纤维的性能影响较大。碳纤维各平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一起。

    性能特征

    碳纤维的化学性能与碳十分相似，在空气中当温度高于400℃时即发生明显的氧化，氧化产物CO₂、CO在纤维表面散失，所以其在空气中的使用温度不能太高，一般在360℃以下。但在隔绝氧的情况下，使用温度可大大提高到1500～2000℃，而且温度越高，纤维强度越大。碳纤维的径向强度不如轴向强度，因而碳纤维忌径向强力（即不能打结）。

    碳纤维有通用型（GP）、高强型（HT）、高模型（HM）、高强高模（HP）等多种规格，其性能指标见表1。

表1  碳纤维的规格与性能

规格	高强型HT	高模型HM	通用型GP	高强高模型HP
直径/um	7	5~8		9~18
强度/（×103Mpa）	2.5~4.5	2.0~2.8	0.78~1.0	3.0~3.5
模量/（×103Gpa）	2.0~2.4	3.5~7.0	3.8~4.0	4.0~8.0
伸长/%	1.3~1.8	0.4~0.8	2.1~2.5	0.4~0.5
比重/（g/cm3）	1.78~1.96	1.40~2.00	1.76~1.82	1.9~2.1

    碳纤维有如下的优良特性：① 比重轻、密度小；② 超高强力与模量；③ 纤维细而柔软；④ 耐磨、耐疲劳、减振吸能等物理机械性能优异；⑤ 耐酸、碱和盐腐蚀，可形成多孔、表面活性、吸附性强的活性碳纤维；⑥ 热膨胀系数小，导热率高，不出现蓄能和过热；高温下尺寸稳定性好，不燃，热分解温度800℃，极限氧指数55；⑦ 导电性、X射线透过性及电磁波遮蔽性良好；⑧ 具有润滑性，不沾润在熔融金属中，可使其复合材料磨损率降低；⑨ 生物相容性好，生理适应性强。

    碳纤维力学性能主要是抗张强度、弹性模量和断裂伸长等3个参数，变异系数即CV值= 标准偏差/平均值×100(%) ，碳纤维的CV值是设计构建的一项重要指标，如果碳纤维的CV值较小，涉及碳纤维拉伸强度等利用率高，可充分发挥其增强效果。在使用碳纤维时，大多制造成复合材料的结构件。对于同一性能的结构件，碳纤维的CV值越小，用量少，增强效果好；如果CV值较大，用量较多，构件笨重，增强效果差。表2为民用碳纤维的力学性能。

表2  民用碳纤维力学性能

项目	拉伸强度/ GPa	弹性模量/ GPa	伸长率/ %
碳纤维	3.30	230	1.52
CV值/ %	3.75	0.95	–

    由表2可看出，所生产的碳纤维具有较高的强度和模量，而伸长率较低，表明该材料具有较大的刚性；同时材料的拉伸强度和弹性模量的CV值都较低，表明材料的均一性较好。

    PAN基碳纤维的制备

    聚丙烯腈碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维，主要作复合材料用增强体。无论均聚或共聚的聚丙烯腈纤维都能制备出碳纤维。为了制造出高性能碳纤维并提高生产率，工业上常采用共聚聚丙烯腈纤维为原料。对原料的要求是：杂质、缺陷少；细度均匀，并越细越好；强度高，毛丝少；纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好，通常大于80%；热转化性能好。

    生产中制取聚丙烯腈纤维的过程是：先由丙烯腈和其他少量第二、第三单体(丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等)共聚生成共聚聚丙烯腈树脂(分子量高于 6～8万)，然后树脂经溶剂(硫氰酸钠、二甲基亚矾、硝酸和氯化锌等)溶解，形成粘度适宜的纺丝液，经湿法、干法或干-湿法进行纺丝，再经水洗、牵伸、干燥和热定型即制成聚丙烯腈纤维。若将聚丙烯腈纤维直接加热易熔化，不能保持其原来的纤维状态。因此，制备碳纤维时，首先要将聚丙烯腈纤维放在空气中或其他氧化性气氛中进行低温热处理，即预氧化处理。预氧化处理是纤维碳化的预备阶段。一般将纤维在空气下加热至约270℃，保温0.5h～3h，聚丙烯腈纤维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后形成黑色的预氧化纤维。这是聚丙烯腈线性高分子受热氧化后，发生氧化、热解、交联、环化等一系列化学反应形成耐热梯型高分子的结果。再将预氧化纤维在氮气中进行高温处理(l 600℃)，即碳化处理，则纤维进一步产生交联环化、芳构化及缩聚等反应，并脱除氢、氮、氧原子，最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱层石墨结构的碳纤维。

    由PAN原丝制备碳纤维的工艺流程如下：PAN原丝→预氧化→碳化→石墨化→表面处理→卷取→碳纤维。