2.1.2 瀝青基炭纖維

瀝青是一種以縮合多元芳烴化合物為主的低分子烴類混合物, 其中含碳量在70%左右, 瀝青一般可從石油和煤焦油中提取。用瀝青做成的炭纖維有兩種, 即通用級(jí)瀝青和各向異性高模量纖維。瀝青基纖維和PAN炭纖維相比具有高熱導(dǎo)[中間相瀝青纖維的熱導(dǎo)率高達(dá)600~800 W/(m·K)]、 熱膨脹系數(shù)低、 耐沖擊性好、 資源豐富、 炭收率高等優(yōu)點(diǎn)。

并不是所有的瀝青都可用來(lái)制作炭纖維, 一般的煤瀝青、 石油瀝青是不能用來(lái)生產(chǎn)炭纖維的。由于瀝青的成分復(fù)雜, 是一種混合物, 所以這種瀝青需要調(diào)制與精化。

瀝青調(diào)制與精化的目的是濾除各種一次性不溶物、 純化化學(xué)成分并調(diào)控分子量。經(jīng)過(guò)調(diào)制, 瀝青具有良好的紡絲流變性能、 一定的化學(xué)活性等特性。然后經(jīng)過(guò)熔融紡絲、 不熔化處理、 炭化等過(guò)程, 可獲得炭纖維和石墨纖維。炭化過(guò)程中施加張力是必要的, 它可以使炭纖維的強(qiáng)度提高40%, 模量提高25%左右。

2.1.3 黏膠基炭纖維

1891年, 美國(guó)人克羅斯和貝文發(fā)明了黏膠纖維。之后將黏膠基纖維原絲加捻、 穩(wěn)定化處理、 低溫炭化、 高溫石墨化等過(guò)程后制得黏膠基炭纖維。黏膠基炭纖維的生產(chǎn)在美國(guó)和俄羅斯有一定的發(fā)展, 特別是在軍工和航天設(shè)備的生產(chǎn)上有獨(dú)特的使用價(jià)值。

2.2 炭纖維預(yù)制體的種類及編制過(guò)程

炭纖維是復(fù)合材料中的增強(qiáng)相, 必須與基體材料進(jìn)行復(fù)合才能發(fā)揮作用。炭纖維是一維材料, 根據(jù)產(chǎn)品使用要求, 可進(jìn)行設(shè)計(jì)與編織成為一維、 二維、 三維和多維織物預(yù)制體, 炭纖維的排布方式將直接影響并決定最終材料的性能, 因此, 炭纖維預(yù)成型技術(shù)即預(yù)制體的制造是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

炭/炭復(fù)合材料的一些缺點(diǎn)和不足將隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步而被克服, 特別20世紀(jì)70年代以來(lái), 編織機(jī)械相繼面世, 預(yù)制體編織技術(shù)的發(fā)展, 使編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料得到了較快的發(fā)展。進(jìn)入80年代以后, 編織技術(shù)由二維編織到三維甚至四維以上的多維編織, 從單種類纖維編織到不同類纖維的混雜編織, 已經(jīng)形成了一種高新的編織技術(shù), 圖2-6顯示出炭纖維的空間排布方式。表2-2為炭纖維的排布方式與特性, 展示了不同排布的性能對(duì)比。

圖2-6 炭纖維排布方式