碳纤维吸波剂的主要品种与性能

日期：2018-12-19 14:30

一.聚丙烯腈基碳纤维

聚丙烯腈(PAN)碳纤维和石墨纤维是PAN原料经预氧化、碳化和石墨化等工艺制备而成的,其中含碳量在99%以上者为石墨纤维(吸波材料)。PAN的结构形态为纤维的截面呈圆形,纤维直径为25~100nm,每根纤维由众多约5nm的石墨微晶组成,而微晶的基面沿着纤维中心轴呈现非常有规则的排列。

(1)制备方法将聚丙烯腈原丝经预氧化、碳化、石墨化等阶段制得高强度、高模量纤维。CN石墨化的温度不高,在10001500℃制得的称为碳纤维,在300℃下制得的称为石墨纤维。但常常也将二者统称为碳纤维,其生产流程如下：

丙烯腈聚合 —→ 纺丝 —→ 聚丙烯腈原丝 —→ 预氧化 —→ 碳化 —→ 碳纤维 —→ 石墨化 —→ 石墨纤维
(200-300℃) (1000-1500℃) (2800℃以上)
(2)性能碳纤维是纤维状的碳素材料,所以具有碳素材料的特性,如密度小、导热、⊙导电、自润滑性等。此外碳纤维是纤维材料中比模量最高的纤维,拉伸强度与玻C√璃纤维相近,弹性模量是玻璃纤维的4~5倍。
①电学性能。碳纤维和石墨纤维具有较好的导电性能,电阻率为1010-4g。
②热性能。碳纤维和石墨纤维的线胀系数小,在纤维轴方向,高模型为1×10-6K1,高强型为-0.5×10-6K-1;在横向约为16.8×10-6K1。纤维在3000℃非氧化气氛的高温下不熔化、不软化。此外,碳纤维的热导率高,在纤维轴方向的热导率为83.7~125.6W/(m·K),纤维的横向热导率低为0.84W(m·K),并随着温度上升而下降,在1500℃时的热导率为常温时的15%~30%
③化学性能。碳纤维和石墨纤维能被强氧化剂氧化,但耐酸、碱性很好如将纤维置于酸液中200d后,测其弹性模量、纤维直径和拉伸强度时,发现在质量分数为50%盐酸、硫酸和磷酸中无明显变化;在质量分数为50%硝酸中略有膨胀;在次氯酸溶液中仅仅直径减小。此外,还能耐油、苯、丙酮等介质另外,它还具有防原子辐射(隔磁片)、吸收气体和使中子减速等特性。

二.黏胶基(或人造丝基)碳纤维

黏胶基碳纤维的基体链节是纤维素二糖剩基,每个葡萄糖剩基含有三个羟基,在碳化活化之前要进行脱水处理,使羟基脱水,转化为耐热的梯形结构。黏胶基碳纤维含碳率为90%(质量分数)以上,石墨纤维含碳量接近100%(质量分数),其截面呈无规则形或锯齿形态。

(1)制备方法由人造丝制备碳纤维和石墨纤维的基本工艺。

(2)性能黏胶基碳纤维密度小,导热性差、碱金属含量低(一般仅为28~60mg/kg),这些都使其作为烧蚀材料很有利。黏胶基碳纤维的密度为1.3~1.9g/cm3,拉伸强度为0.69~3.4弹性模量为690-760GPa.它的电导率与弹性模量有非常直接的关系,即随着弹性模量的提高,几乎是线性增大的。当弹性模量为70GP时,电导率为4005cmc弹性模量为760GPa时,电导率约为1900S/cm。其他性能与聚丙烯腈基纤维相似。

三.沥青基碳纤维与石墨纤维

沥青基碳纤维是由PVC热解沥青、木质素沥青和煤油沥青为基料制成的碳纤维。这种碳纤维含碳量较高,即使热处咖理温度达1000℃,其含碳量也在99%以上,纤维的横断面结构如图218所示,有径向结构、洋葱皮结构和无规结构。一般情况下纤维为混合结构,其中以径向和无规结构为主,洋葱皮结构较少。

径向结构洋葱皮结构无规结构

图2-18 沥青基碳纤维横断面结构图

(1)制备方法沥青基碳纤维的制备方法有：①通用型(低性能)各向同性法;②中间相沥青制取碳纤维;③预中间相法制取碳纤维;④潜在中间相沥青制取碳纤维。
(2)性能沥青基碳纤维的拉伸强度与弹性模量受热处理温度影响较大。如热处理温度为1700℃时,强度为1.38GPa,弹性模量为1GPa;热处理温度为300℃时,强度为2.20GPa,弹性模量为700GPa。

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