碳纤维的结构、性能和主要用途

以丙烯腈基碳纤维为例，经致密化牵伸之后的丙烯腈纤维中碳链伸直（由于碳原子价电子σ—π价键间夹角为１０９°２８′，所以伸直链中碳原子主链仍是曲折的），氮原子是侧基上的腈基。在２００～３００℃高温预氧化加工过程中，腈基先环化后，再脱氢，最后氧化形成耐热的梯形结构（也可能先脱氢，再环化，最后氧化），如图所示。然后在８００～１６００℃高温碳化过程中，进一步脱去氢、氧、氮，使碳含量达到９０％以上或９２％以上，并最终成为相邻平行伸直的曲折链，相互结合形成稠环结构的碳纤维（在加工过程中还要注意，预氧化过程是一种放热反应，必须将大量的热能导走，以防过高温度破坏高聚物结构；以上反应过程中纤维会缩短，应注意及时拉伸，以防碳链卷缩，从而影响最终纤维性能）。
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丙烯腈碳纤维的环化与氧化反应

2.碳纤维的性能
( n2 x' }6 V' }7 {7 k几种主要碳纤维的力学性能见表。
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　几种主要碳纤维的力学性能

类别	单纤维直径（μｍ）	密度（ｇ／ｃｍ３）	拉伸断裂比强度		拉伸模量
			ＧＰａ	ｃＮ／ｄｔｅｘ	ＧＰａ	ｃＮ／ｄｔｅｘ
高强度碳纤维	６	１．８１～１．８２	５．５９～７．０６	３０．９～３８．８	２９４	１６２０
高强度高模量碳纤维	７	１．７７～１．９８	３．６０～４．４１	１８．２～２４．９	３７７～６４０	２１８０～３３７２
高强度中模量碳纤维	５	１．８８～１．９１	２．４５～２．７４	１２．８～１５．１	３９２～４９０	２１６６～２５６５
耐火纤维	１１	１．５０	０．２６	１．８	３９２	２６１３．３
碳质纤维	９	１．７０	１．１８	７．１	４７０	２７６４．７
石墨纤维	８	１．８０	０．９８	５．６	９８	５４４．４
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碳纤维的比热容约为０．７１２ｋＪ／（ｋｇ·Ｋ），电阻率也相当低，高强度碳纤维为０．００１５Ω·ｃｍ，高模量碳纤维为０．０００７７５Ω·ｃｍ。碳纤维还具有耐高温、耐烧蚀、耐化学腐蚀，以及防水、耐辐射等性能。

3.碳纤维的主要用途
碳纤维用于纤维增强复合材料中的增强材料，复合材料中的基体可以用高聚物树脂、金属、陶瓷、无定形碳等。碳纤维与高聚物树脂的复合材料具有质量轻、强度高、耐高温等特性，是飞机、舰艇、宇宙飞船、火箭、导弹等壳体的重要材料。碳纤维与陶瓷的复合材料具有强度高、耐磨损的特点。碳纤维与无定形碳的复合材料具有耐高温、耐烧蚀，是导弹、火箭、喷火喉管及飞机等刹车盘的重要制造原料。同时，利用其导电性能而制成的导体材料和防电磁辐射材料也有许多用途。另外，碳纤维在建筑、交通、运输工程中也有应用。目前，全世界碳纤维的总生产能力已达５万吨／年。
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