碳纤维(Carbon Fibre)是纤维状的碳资料 ，及其化学组成中碳元素占总质量的90%以上 。碳纤维及其复合伙料拥有高比强度 ，高比模量 ，耐高温 ，耐侵蚀 ，耐委顿 ，抗蠕变 ，导电 ，传热 ，和热膨胀系数幼等一系列优异机能 ，它们既能够作为结构资料承载负荷 ，又能够作为职能资料阐扬作用 。因而 ，碳纤维及其复合伙料近年来发展极度迅速 。
一、碳纤维出产工艺
能够用来造取碳纤维的原料有很多种 ，按它的起源重要分为两大类 ，一类是人造纤维 ，如粘胶丝 ，人造棉 ，木质素纤维等 ，另一类是合成纤维 ，它们是从石油等天然资源中提纯出来的原料 ，再经过处置后纺成丝的 ，如腈纶纤维 ，沥青纤维 ，聚丙烯腈(PAN)纤维等 。经过多年的发展 ，目前只有粘胶(纤维素)基纤维、沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维三种原料造备碳纤维工艺实现了工业化 。
1、粘胶(纤维素)基碳纤维
用粘胶基碳纤维加强的耐烧蚀资料 ，能够造作火箭、导弹和航天飞机的鼻锥及头部的大面积烧蚀屏蔽资料、固体发起机喷管等 ，是解决宇航和导弹技术的关键资料 。粘胶基碳纤维还可做飞机刹车片、汽车刹车片、放射性同位素能源盒 ，也可加强树脂做耐侵蚀泵体、叶片、管路、容器、催化剂骨架资料、导电线材及面发热体、密封资料以及医用吸附资料等 。固然它是最早用于造取碳纤维的原丝 ，但由于粘胶纤维的理论总碳量仅44.5% ，现实造作过程热解反映中 ，往往会因裂解不当 ，天生左旋葡萄糖等裂解产品而现实碳收率仅为30%以下 。所以粘胶(纤维素)基碳纤维的造备成本比力高 ，目前其产量已不及世界纤维总量的1％ 。但它作为航空飞行器中耐烧蚀资料有其怪异的利益 ，由于含碱金属、碱土金属离子少 ，飞行过程中点火时产生的钠光弱 ，雷达不易发现 ，所以在军事工业方面还保留少量的出产 。
2、沥青基碳纤维
1965年 ，日本群马大学的大谷杉郎研造成功了沥青基碳纤维 。从此 ，沥青成为出产碳纤维的新原料 ，是目前碳纤维领域中仅次于PAN基的第二大原料路线 。大谷杉郎起头用聚氯乙稀(PVC)在惰性气体 ；は录尤鹊400℃ ，而后将所造PVC沥青进行熔融纺丝 ，之后在空气中加热到260℃进行不溶解处置 ，即预氧化 ，再经炭化等一系列后处置得到沥青基碳纤维 。 目前 ，熔纺沥青多用煤焦油沥青、石油沥青或合成沥青 。1970年 ，日本吴羽化学工业公司出产的通用级沥青基碳纤维上市 ，至今该公司仍在规 ；霾 。1975年 ，美国结合碳化物公司(Union Carbide Corporation)起头出产高机能中央相沥青基碳纤维“Thornel-P”,年产量237t 。我国鞍山东亚精密化工有限公司于20世纪90年代初从美国阿石兰石油公司引进年产200t通用级沥青基碳纤维出产线 ，1995年已投产 ，同时还引进了年产45t活性碳纤维的出产装置 。
3、聚丙烯腈（PAN）基碳纤维
PAN基碳纤维的炭化收率比粘胶纤维高 ，可达45％以上 ，并且由于出产流程 ，溶剂回收 ，三废处置等方面都比粘胶纤维单一 ，成本低 ，原料起源丰硕 ，加上聚丙烯腈基碳纤维的力学机能 ，尤其是抗拉强度 ，抗拉模量等为三种碳纤维之首 。所所以目前利用领域最广 ，产量也最大的一种碳纤维 。PAN基碳纤维出产的流程图如图1所示 。
在肯定的聚合前提下 ，丙稀腈（AN）在引发剂的自由基作用下 ，双键被打开 ，并彼此衔接为线型聚丙烯腈（PAN）大分子链 ，同时开释出17.5kcal/mol的热量 。天生的聚丙烯腈(PAN)纺丝液经过湿法纺丝或干喷湿纺等纺丝工艺后即可得到PAN原丝 。
PAN原丝经整经后 ，送入预氧化炉造得预氧化纤维（俗称预氧丝） ；预氧丝进入低温炭化炉、高温炭化造得碳纤维 ；碳纤维经表表处置、上浆即得到碳纤维产品 。全过程陆续进行 ，任何一路工序出现问题城市影响不变出产和碳纤维产品的质量 。全过程流程长、工序多 ，是多学科、多技术的集成 。
均聚PAN的玻璃化温度（Tg）为104℃ ，没有软化点 ，在317℃分化 ，共聚PAN的Tg约莫在85～100℃领域内 ，共聚组分分歧、共聚量的差距 ，使Tg随之变动 。共聚含量越多 ，Tg越低 。预氧化的温度节造在玻璃化温度和裂解温度之间 ，即200～300℃之间 。预氧化的主张是使热塑性PAN线形大分子链转化为非塑性耐热梯形结构 ，使其在炭化高温下不熔不燃、维持纤维状态 ，热力学处于不变状态 。预氧化的梯形结构使炭化效能显著提高 ，大大降低了出产成本 。同时 ，预氧丝（预氧化纤维OF）也是一种沉要的中央产品 ，经深加工可造成多种产品 ，直接进入市场 ，并已在很多领域得到现实利用 。
PAN原丝经预氧化处置后转化为耐热梯形结构 ，再经过低温炭化（300～1000℃）和高温炭化（1000～1800℃）转化为拥有乱层石墨结构的碳纤维 。在这一结构转化过程中 ，较幼的梯形结构单元进一步进行交联、缩聚 ，且伴随热解 ，在向乱层石墨结构转化的同时开释出很多幼分子副产品 。同时 ，非碳元素O、N、H逐步被排除 ，C逐步富集 ，最终形成含碳量90％以上的碳纤维 。
另表 ，通过对碳纤维的进一步石墨化还能够获得高模量石墨纤维或高强度高模的MJ系列的高机能碳纤维 。即在2000～3000℃高的热处置温度(HTT)下牵伸石墨化 ，使碳纤维由无定型、乱层石墨结构向三维石墨结构转化 。
对于碳纤维来说 ，预氧化功夫为近百分钟 ，炭化功夫为几分钟 ，石墨化功夫较短 ，通常只有几秒到数十秒 。
