碳纤维及石墨纤维PDF电子书下载

第1章　碳纤维和石墨纤维的发展概况 1

1.1　碳纤维及石墨纤维的发展简史 1

1.1.1 研发碳纤维的先驱者——斯旺和爱迪生 1

1.1.2　聚丙烯腈基碳纤维发明者——进藤昭男 1

1.1.3　从东丽公司碳纤维发展历程看原丝的重要性 2

1.1.4 我国研制PAN基碳纤维的历程 3

1.2 当前世界PAN基碳纤维的主要生产厂家及产品性能 7

1.2.1 小丝束PAN基碳纤维 7

1.2.2　大丝束碳纤维 13

1.3　碳纤维的发展趋势 14

1.4　应用领域 15

参考文献 19

第2章　聚丙烯腈纤维（原丝） 21

2.1　聚丙烯腈的晶态及其多重结构 21

2.1.1 聚丙烯腈的晶胞及构象 21

2.1.2　聚丙烯腈的球晶及其多重结构 24

2.1.3　聚丙烯腈的构型 27

2.2　聚合 27

2.2.1 均相溶液自由基聚合原理 28

2.2.2　分子量调节剂 34

2.2.3　共聚单体及其竞聚率 35

2.2.4　聚合方法 48

2.2.5　氨化 62

2.2.6　混批和混合 65

2.2.7　脱单、脱泡 65

2.3 纺丝 67

2.3.1 凝固成纤过程中的相分离 69

2.3.2　凝固过程中的双扩散 71

2.3.3　湿法纺丝 75

2.3.4 干喷湿纺 85

2.3.5　喷丝板 94

2.3.6　牵伸与取向 100

2.3.7　干燥致密化 109

2.3.8　松弛热定型 111

2.3.9 陶瓷导丝及其导辊 111

2.3.10　纺丝用的定位沟槽辊 112

2.4　分析测试及表征（聚合·纺丝·原丝） 113

2.4.1 用核磁共振测定聚合物的组成及其立构规整度 113

2.4.2　用红外光谱法测定共聚物的组成 116

2.4.3　特性黏度［η］的测定方法及其与重均分子量（Mw）的关系 118

2.4.4 用渗透压法测定聚合物的数均分子量（Mn）及其分子量分布 119

2.4.5 用凝胶渗透色谱（GPC）测定分子量及其分子量分布 121

2.4.6　转化率的测定方法 123

2.4.7　临界浓度的测定方法 123

2.4.8　纺丝液与凝固液之间润湿性的测定方法 125

2.4.9 纺丝液黏度斑（黏度CV值）的测定方法 125

2.4.10 用TEM观察原纤（fibril）直径——细晶化的源头 126

2.4.11　凝固丝条拉伸模量及凝固丝条纤度的测定方法 127

2.4.12 用压汞法测定凝固丝条的孔隙率及其平均孔径 127

2.4.13 用DSC法测定凝固丝条的孔径尺寸 129

2.4.14　密度法测定原丝的孔隙率 130

2.4.15 用小角X射线散射测定凝固丝条中的微孔数目 131

2.4.16　相分离与膨润度及其测定方法 132

2.4.17 水洗后丝条中残留溶剂量的测定方法 133

2.4.18 用二次离子质谱仪测定原丝中硼（B）的径向分布 135

2.4.19 用WAXD测定PAN原丝的结晶取向度 135

2.4.20　PAN原丝的结晶度和微晶尺寸的测定方法 139

2.4.21 用密度法计算非晶区的密度 139

2.4.22 用X射线衍射仪（粉末法）测定PAN原丝的晶间距 140

2.4.23 用红外二色法测定氰基的总取向 141

2.4.24 用染料二色法测定PAN原丝非晶区的取向度 142

2.4.25　声速法测定纤维的总取向 143

2.4.26　玻璃化温度及其测定方法 145

2.4.27　纤维密度与相对密度的测定方法 147

2.4.28　PAN原丝的致密性测定方法 150

2.4.29　失透度及测试方法 151

2.4.30 纤度及其CV值的测定方法 151

2.4.31 沸水收缩率的测定 152

2.4.32　纤维含水量的测定 153

2.4.33　单丝直径及其CV值的测定 153

2.4.34　单丝形貌 153

2.4.35　纤维的光泽度及其测定方法 154

2.4.36 用扫描电镜测定湿纺PAN原丝的表面粗糙系数 155

2.4.37　评价PAN原丝的最大牵伸率装置 155

参考文献 156

第3章　预氧化工艺与设备 159

3.1　预氧化过程中的变化 159

3.1.1　物理变化 160

3.1.2　化学反应 160

3.1.3　结构转化 161

3.2　预氧化机理 161

3.2.1 结构转化与颜色变化 161

3.2.2　预氧化过程中的主要反应 163

3.3　预氧化过程中的物性变化 170

3.3.1 牵伸与收缩 170

3.3.2　温度和温度梯度 172

3.3.3　纤维强度的下降 172

3.3.4　密度的变化 172

3.4　预氧化过程中的质量控制指标之一（氧的径向分布与均质预氧丝） 175

3.5　预氧化设备及其工艺参数 177

3.5.1　概述 177

3.5.2　预氧化炉 179

3.6　头尾衔接技术 197

3.7　预氧丝的质量检测及其相关的测定方法 198

3.7.1 预氧丝中含氧量的测定方法 198

3.7.2　预氧丝含湿量（含水量）的测定方法 199

3.7.3　预氧丝相对密度和密度的测定方法 199

3.7.4 用XRD测定芳构化指数 200

3.7.5　用红外光谱测定相对环化度 200

3.7.6　用红外分光法测定预氧丝中残留氰基 200

3.7.7 用DSC测定环化度（芳构化指数） 201

3.7.8　皮芯结构的测定方法 201

3.7.9　甲酸溶解度 202

3.7.10 用二次离子质谱仪测定纤维中O、Si、B的径向分布 203

3.7.11　极限氧指数的测定方法 203

3.7.12　失控氧化温度的测定方法 204

3.7.13 火焰收缩保持率的测定方法 205

3.7.14　预氧化炉内水分的测定方法 205

参考文献 205

第4章　碳化工艺及设备 208

4.1　固相碳化机理 208

4.1.1　聚丙烯腈碳化机理 208

4.1.2 固相碳化的主要反应 209

4.2　孔隙产生规律及其对碳纤维性能的影响 212

4.2.1 孔隙的变化规律及其对碳纤维拉伸强度的影响 212

4.2.2　密度与孔隙率 214

4.2.3　孔隙尺寸和形状对碳纤维拉伸强度的影响 215

4.3　碳化过程中结构演变 215

4.3.1 皮芯结构 215

4.3.2　结构参数的变化 216

4.4　低温碳化工艺与设备 217

4.4.1　碳化概述 217

4.4.2　低温碳化设备 219

4.4.3　非接式迷宫密封装置 220

4.4.4 焦油的产生及其排除方法 223

4.4.5　废气处理 226

4.4.6 密封氮气与载气氮气 230

4.4.7　牵伸机组及槽辊 230

4.5　高温碳化炉 230

4.5.1 高温碳化炉的发热体 230

4.5.2　设计高温碳化炉的其他几个技术要素 232

4.5.3 高温碳化炉的种类 234

4.5.4 牵伸 237

4.5.5　定位槽辊 239

4.6　碳纤维的测定方法 241

4.6.1　超声波脉冲法在线测定碳纤维的模量 241

4.6.2 用荧光X射线法测定碳纤维的硅含量 244

4.6.3 用激光拉曼光谱测定碳纤维结晶性的径向分布 245

4.6.4 用电子自旋共振（ESR）研究碳纤维的结构特征 246

4.6.5 用电子能量损失谱测定氮的径向分布 248

4.6.6　在线测定丝束宽度的方法与装置 249

4.6.7 高温碳化炉的内压测定方法 250

参考文献 250

第5章　石墨纤维 252

5.1　石墨化机理 252

5.1.1 固相石墨化 254

5.1.2　石墨微晶的形状因子 255

5.1.3　石墨化敏感温度 255

5.1.4　层间距d002与HTT的关系及其（002）晶格图像 256

5.1.5 用HRSEM观察石墨纤维的结构形貌 257

5.2　催化石墨化 257

5.2.1　催化石墨化及其效果 257

5.2.2　硼及其催化石墨化 259

5.2.3　硼的引入途径 261

5.3　石墨化炉及种类 266

5.3.1　塔姆式电阻炉 266

5.3.2　感应石墨化炉 273

5.3.3　射频石墨化炉 274

5.3.4　等离子体石墨化炉 275

5.3.5　光能石墨化炉 275

5.4　石墨化度及其评价方法 277

5.4.1 石墨化度 277

5.4.2　磁阻 278

5.4.3　石墨纤维的皮芯结构 280

参考文献 280

第6章　碳纤维和石墨纤维的表面处理 282

6.1　界面传递效率 282

6.1.1 润湿与接触角 284

6.1.2　表面处理与表面能 287

6.2　复合材料的界面 289

6.2.1　界面层的生成原理 290

6.2.2　机械嵌合（锚定效应） 291

6.2.3　化学键合 293

6.3　碳纤维的表面处理方法之一——阳极氧化法 294

6.3.1 阳极电解氧化法原理 295

6.3.2　连续直接通电式阳极氧化装置 296

6.3.3　脉冲通电的阳极氧化装置 298

6.3.4　非接触式通电的阳极电解氧化装置 300

6.3.5　阳极氧化的主要工艺参数 303

6.4　臭氧表面处理法 312

6.4.1 臭氧及其主要性质 312

6.4.2 臭氧表面处理方法 313

6.5　表面处理效果的评价方法 314

6.5.1 层间剪切强度的测试方法 315

6.5.2　界面剪切强度的测试方法 316

参考文献 317

第7章　碳纤维和石墨纤维上浆剂及其表征方法 319

7.1 上浆剂 319

7.1.1　上浆剂及其界面性能 319

7.1.2　上浆剂的作用及要求 320

7.2　上浆剂的组成 321

7.2.1　碳纤维的上浆主剂——双酚A环氧树脂 321

7.2.2　双酚A环氧树脂的改性 321

7.2.3　上浆辅剂 326

7.3　乳液型上浆剂的配制方法——转相法 331

7.4　碳纤维的上浆方法 332

7.4.1　上浆装置的扩幅机构 332

7.4.2　具有空气流动场的上浆装置 333

7.4.3　具有吹气狭缝的上浆装置 333

7.4.4　具有循环系统的上浆装置 334

7.5　几种上浆剂的配制 334

7.5.1 组合型功能上浆剂 334

7.5.2　乳化型上浆剂 335

7.5.3　纳米改性型上浆剂 335

7.5.4 油溶性上浆剂 336

7.5.5　增韧改性的上浆剂 337

7.6　上浆的性能指标及其评价方法 338

7.6.1　开纤性评价装置 338

7.6.2　乳液型上浆剂的粒径测定方法 338

7.6.3 上浆剂的时效稳定性的测定方法 338

7.6.4　上浆量的测定方法 338

7.6.5　毛丝数的测定方法 339

7.6.6　摩擦系数的测定方法 340

7.6.7　浸润性的评价方法 341

7.6.8　悬垂值D及其测定方法 341

7.6.9　含水率与平衡含水率 343

7.6.10　用Wilhelmy吊片法测定上浆性能 343

参考文献 344

第8章 碳纤维和石墨纤维的结构 346

8.1　碳的丰度及性质 346

8.2　碳原子的杂化轨道及成键原理 348

8.2.1　SP3杂化 348

8.2.2　SP2杂化 348

8.2.3　SP杂化 349

8.3　碳的结晶结构 350

8.3.1　金刚石 350

8.3.2　石墨 353

8.3.3　卡宾 354

8.4　碳的相图和碳的升华 356

8.4.1　碳的相图 356

8.4.2　碳的升华 356

8.5　碳的多种形态结构 358

8.6　碳纤维的结构 360

8.6.1　碳纤维的皮芯结构 360

8.6.2　碳纤维的孔结构 361

8.6.3　碳纤维的结构模型 364

8.7　测试方法 369

8.7.1 用XRD测定碳纤维的结构参数 369

8.7.2 用电子显微镜研究碳纤维的结构 372

8.7.3 用XRD测定取向度 375

8.7.4 用ESR研究碳纤维的微细结构 376

8.7.5 用Raman光谱研究碳纤维结构的多相性 376

8.8　碳纤维和石墨纤维的形态结构与性能 382

8.8.1　缨状原纤弯曲度 382

8.8.2　碳纤维的结构参数及其性能 383

8.8.3　碳纤维结构的非均质性 383

8.8.4 高强高模型碳纤维（MJ系列） 387

参考文献 389

第9章　碳纤维和石墨纤维的性质 392

9.1　拉伸强度与缺陷 393

9.1.1　格拉菲斯微裂纹理论 394

9.1.2　缺陷类型 396

9.1.3　碳纤维拉伸强度的分散性及其表征方法 397

9.2　碳纤维和石墨纤维的压缩强度 403

9.2.1 压缩强度 403

9.2.2　碳纤维复合材料的压缩强度 406

9.2.3　测定压缩强度的方法 406

9.3　拉伸模量 409

9.4　热性能 412

9.4.1　热膨胀 412

9.4.2　热导率 415

9.4.3　热容量 417

9.4.4　复合材料的热性能 420

9.4.5　热氧化 421

9.5　碳纤维的电性能 422

9.5.1 导电原理 422

9.5.2　碳纤维的电阻率及其影响因素 424

9.5.3　碳纤维电阻率的测定方法 425

9.6　磁性能 426

9.6.1　磁阻 426

9.6.2　磁化率 427

参考文献 428

第10章　碳纤维复合材料 431

10.1　碳纤维增强树脂基复合材料 432

10.1.1　热固性基体树脂 432

10.1.2　成型技术 439

10.1.3　预成型中间物 444

10.1.4　热塑性基体树脂 446

10.2　碳／碳复合材料 453

10.2.1　碳／碳复合材料的制造 453

10.2.2　短切碳纤维制造C/C复合材料 459

10.2.3　抗氧化处理 460

10.3　碳纤维增强陶瓷复合材料 465

10.3.1　碳纤维增强碳化硅（CFRSiC）复合材料 465

10.3.2　碳纤维增强氮化硅复合材料 467

10.4　碳纤维增强金属基复合材料 469

10.4.1　两相界面层 469

10.4.2　碳纤维表面的防护方法 470

10.4.3　碳纤维增强铝基复合材料（CF/Al） 473

10.4.4　碳纤维增强铜基复合材料（CF/Cu） 474

10.5　碳纤维纸和碳纤维布 475

10.5.1 造纸用碳纤维的前处理 475

10.5.2 高级碳纤维纸的制造工艺 477

10.5.3　碳纤维布 480

10.6　碳纤维增强橡胶材料 481

10.6.1　碳纤维的选择 481

10.6.2　RFL乳液 482

参考文献 482

第11章　碳纤维在航天航空和军事领域中的应用 485

11.1　在航天及军工领域方面的应用 485

11.1.1　航天飞机 485

11.1.2 宇宙探测器 488

11.1.3　人造卫星 489

11.1.4 火箭与导弹 491

11.1.5　舰艇方面的应用 498

11.1.6　石墨炸弹 498

11.1.7　浓缩铀与原子弹 500

11.2　在航空和军工领域中的应用 502

11.2.1　战斗机 502

11.2.2　直升机 504

11.2.3　无人飞机 505

11.2.4 民航客机及大飞机 505

11.2.5　制动刹车材料 507

11.2.6 隐身材料与隐身战机 509

参考文献 511

第12章　碳纤维复合材料在工业领域中的应用 513

12.1　在汽车工业中的应用 513

12.1.1　汽车轻量化，节能降耗 513

12.1.2　压缩气罐（瓶） 515

12.2　碳纤维复合材料辊筒 518

12.3　在新能源领域中的应用 519

12.3.1　风力发电 519

12.3.2 太阳能发电 521

12.3.3　碳纤维复合芯电缆 524

12.3.4 海洋油田方面的应用 526

12.3.5　核能方面的应用 528

12.4　在基础设施和土木建筑方面的应用 530

12.4.1 应用形式和性能的匹配 531

12.4.2　碳纤维复合材料绳索 532

12.5 电热、抗静电和耐热制品 534

12.5.1 电热制品 534

12.5.2　抗静电制品 534

12.5.3　耐热制品 535

12.6　文体休闲器材 535

12.7　碳纤维在医疗器械、生物材料和医疗器材方面的应用 537

12.7.1 医疗器械 538

12.7.2　生物材料 538

12.7.3 医疗器材 538

12.8　碳纤维修复水生态环境 539

12.9　其他方面的应用 540

12.9.1　轨道交通工具 540

12.9.2　机器人部件 541

12.9.3　笔记本电脑 541

12.9.4 宇宙望远镜的构件 541

12.9.5　盘根及密封环 541

12.9.6　音响设备和乐器 541

参考文献 543