炭纖維的制造和應(yīng)用可追溯到1860年, 為了研制燈絲英國人首次制造了炭絲。1879年美國人愛迪生用炭絲做燈絲。1959年美國聯(lián)合碳化公司(Union Carbide Corporation, UCC)以膠黏纖維(Viscose fiber)為原絲制成名為“Hyfil Thornel”的纖維素基炭纖維(Rayon-based carbon fiber); 1962年日本炭素公司制備出低模量聚丙烯腈炭纖維; 1963年英國航空材料研究所開發(fā)出高模量聚丙烯腈炭纖維。后來隨著航天和軍工的需求, 炭纖維的制造技術(shù)得到了飛速發(fā)展。炭纖維的種類也由原來的以天然物質(zhì)如棉紗為原料而發(fā)展到以石油化工為原料的人工合成階段, 產(chǎn)品性能和產(chǎn)量也得到了大大提高。

圖2-1 工業(yè)用炭纖維

經(jīng)過多年的研究與發(fā)展, 得出如下經(jīng)驗(yàn): 要制造長的炭纖維絲, 只能通過高分子有機(jī)纖維的固相炭化來得到。但是也不是所有的高分子有機(jī)纖維都能通過固相炭化得到炭纖維的。炭纖維是有機(jī)纖維經(jīng)過固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物炭, 即小晶體聚集態(tài)的非金屬材料, 但它不屬于有機(jī)纖維范疇。適合制作炭纖維的原料大概有如下幾種: 聚丙烯腈基纖維、 瀝青基纖維、 黏膠基纖維、 木質(zhì)纖維素纖維以及其他有機(jī)纖維基(各種天然纖維、 再生纖維、 縮合多環(huán)芳香族合成纖維)纖維等。炭纖維是一種以碳為主要成分的纖維狀材料, 不同于有機(jī)纖維或無機(jī)纖維, 不能用熔融法或溶液法直接紡絲, 只能以有機(jī)物為原料, 采用間接方法制造。主要由氣相法和有機(jī)纖維炭化法制造而得。

氣相法是在惰性氣氛中小分子有機(jī)物(如烴或芳烴)在高溫下沉積成纖維, 用這種方法只能制造晶須或短纖維, 不能制造連續(xù)長絲。有機(jī)纖維炭化法是先將有機(jī)纖維經(jīng)過穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維, 然后在惰性氣氛中于高溫下進(jìn)行焙燒炭化, 使有機(jī)纖維失去部分碳和其他非碳原子, 形成以碳為主要成分的纖維狀物, 該法可以制造連續(xù)長纖維。到目前為止, 制造炭纖維的原材料主要有三種: 黏膠纖維、 瀝青和聚丙烯腈。無論用何種原絲纖維來制造炭纖維, 都要經(jīng)過五個(gè)階段, 即拉絲、 牽伸、 穩(wěn)定、 炭化和石墨化。炭纖維的密度在1.5~2.0 g/cm3之間, 其熱膨脹性能和導(dǎo)熱性能均有各向異性的特點(diǎn)。表2-1為幾種常用炭纖維的性能[1]。

表2-1 幾種常用炭纖維的性能比較