碳纖維(Carbon Fibre)是纖維狀的碳材料，及其化學(xué)組成中碳元素占總質(zhì)量的90%以上。碳纖維及其復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度，高比模量，耐高溫，耐腐蝕，耐疲勞，抗蠕變，導(dǎo)電，傳熱，和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，它們既可以作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又可以作為功能材料發(fā)揮作用。因此，碳纖維及其復(fù)合材料近年來發(fā)展十分迅速。
    一、碳纖維生產(chǎn)工藝
    可以用來制取碳纖維的原料有許多種，按它的來源主要分為兩大類，一類是人造纖維，如粘膠絲，人造棉，木質(zhì)素纖維等，另一類是合成纖維，它們是從石油等自然資源中提純出來的原料，再經(jīng)過處理后紡成絲的，如腈綸纖維，瀝青纖維，聚丙烯腈(PAN)纖維等。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前只有粘膠(纖維素)基纖維、瀝青纖維和聚丙烯腈(PAN)纖維三種原料制備碳纖維工藝實現(xiàn)了工業(yè)化。
    1、粘膠(纖維素)基碳纖維
    用粘膠基碳纖維增強(qiáng)的耐燒蝕材料，可以制造火箭、導(dǎo)彈和航天飛機(jī)的鼻錐及頭部的大面積燒蝕屏蔽材料、固體發(fā)動機(jī)噴管等，是解決宇航和導(dǎo)彈技術(shù)的關(guān)鍵材料。粘膠基碳纖維還可做飛機(jī)剎車片、汽車剎車片、放射性同位素能源盒，也可增強(qiáng)樹脂做耐腐蝕泵體、葉片、管道、容器、催化劑骨架材料、導(dǎo)電線材及面發(fā)熱體、密封材料以及醫(yī)用吸附材料等。雖然它是最早用于制取碳纖維的原絲，但由于粘膠纖維的理論總碳量僅44.5%，實際制造過程熱解反應(yīng)中，往往會因裂解不當(dāng)，生成左旋葡萄糖等裂解產(chǎn)物而實際碳收率僅為30%以下。所以粘膠(纖維素)基碳纖維的制備成本比較高，目前其產(chǎn)量已不足世界纖維總量的1％。但它作為航空飛行器中耐燒蝕材料有其獨特的優(yōu)點，由于含堿金屬、堿土金屬離子少，飛行過程中燃燒時產(chǎn)生的鈉光弱，雷達(dá)不易發(fā)現(xiàn)，所以在軍事工業(yè)方面還保留少量的生產(chǎn)。
    2、瀝青基碳纖維
    1965年，日本群馬大學(xué)的大谷杉郎研制成功了瀝青基碳纖維。從此，瀝青成為生產(chǎn)碳纖維的新原料，是目前碳纖維領(lǐng)域中僅次于PAN基的第二大原料路線。大谷杉郎開始用聚氯乙稀(PVC)在惰性氣體保護(hù)下加熱到400℃，然后將所制PVC瀝青進(jìn)行熔融紡絲，之后在空氣中加熱到260℃進(jìn)行不熔化處理，即預(yù)氧化，再經(jīng)炭化等一系列后處理得到瀝青基碳纖維。 目前，熔紡瀝青多用煤焦油瀝青、石油瀝青或合成瀝青。1970年，日本吳羽化學(xué)工業(yè)公司生產(chǎn)的通用級瀝青基碳纖維上市，至今該公司仍在規(guī)模化生產(chǎn)。1975年，美國聯(lián)合碳化物公司(Union Carbide Corporation)開始生產(chǎn)高性能中間相瀝青基碳纖維“Thornel-P”,年產(chǎn)量237t。我國鞍山東亞精細(xì)化工有限公司于20世紀(jì)90年代初從美國阿石蘭石油公司引進(jìn)年產(chǎn)200t通用級瀝青基碳纖維生產(chǎn)線，1995年已投產(chǎn)，同時還引進(jìn)了年產(chǎn)45t活性碳纖維的生產(chǎn)裝置。
    3、聚丙烯腈（PAN）基碳纖維
PAN基碳纖維的炭化收率比粘膠纖維高，可達(dá)45％以上，而且因為生產(chǎn)流程，溶劑回收，三廢處理等方面都比粘膠纖維簡單，成本低，原料來源豐富，加上聚丙烯腈基碳纖維的力學(xué)性能，尤其是抗拉強(qiáng)度，抗拉模量等為三種碳纖維之首。所以是目前應(yīng)用領(lǐng)域最廣，產(chǎn)量也最大的一種碳纖維。PAN基碳纖維生產(chǎn)的流程圖如圖1所示。
 
    在一定的聚合條件下，丙稀腈（AN）在引發(fā)劑的自由基作用下，雙鍵被打開，并彼此連接為線型聚丙烯腈（PAN）大分子鏈，同時釋放出17.5kcal/mol的熱量。生成的聚丙烯腈(PAN)紡絲液經(jīng)過濕法紡絲或干噴濕紡等紡絲工藝后即可得到PAN原絲。
    PAN原絲經(jīng)整經(jīng)后，送入預(yù)氧化爐制得預(yù)氧化纖維（俗稱預(yù)氧絲）；預(yù)氧絲進(jìn)入低溫炭化爐、高溫炭化制得碳纖維；碳纖維經(jīng)表面處理、上漿即得到碳纖維產(chǎn)品。全過程連續(xù)進(jìn)行，任何一道工序出現(xiàn)問題都會影響穩(wěn)定生產(chǎn)和碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量。全過程流程長、工序多，是多學(xué)科、多技術(shù)的集成。
    均聚PAN的玻璃化溫度（Tg）為104℃，沒有軟化點，在317℃分解，共聚PAN的Tg大約在85～100℃范圍內(nèi)，共聚組分不同、共聚量的差異，使Tg隨之變化。共聚含量越多，Tg越低。預(yù)氧化的溫度控制在玻璃化溫度和裂解溫度之間，即200～300℃之間。預(yù)氧化的目的是使熱塑性PAN線形大分子鏈轉(zhuǎn)化為非塑性耐熱梯形結(jié)構(gòu)，使其在炭化高溫下不熔不燃、保持纖維形態(tài)，熱力學(xué)處于穩(wěn)定狀態(tài)。預(yù)氧化的梯形結(jié)構(gòu)使炭化效率顯著提高，大大降低了生產(chǎn)成本。同時，預(yù)氧絲（預(yù)氧化纖維OF）也是一種重要的中間產(chǎn)品，經(jīng)深加工可制成多種產(chǎn)品，直接進(jìn)入市場，并已在許多領(lǐng)域得到實際應(yīng)用。
    PAN原絲經(jīng)預(yù)氧化處理后轉(zhuǎn)化為耐熱梯形結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過低溫炭化（300～1000℃）和高溫炭化（1000～1800℃）轉(zhuǎn)化為具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的碳纖維。在這一結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化過程中，較小的梯形結(jié)構(gòu)單元進(jìn)一步進(jìn)行交聯(lián)、縮聚，且伴隨熱解，在向亂層石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的同時釋放出許多小分子副產(chǎn)物。同時，非碳元素O、N、H逐步被排除，C逐漸富集，最終形成含碳量90％以上的碳纖維。
    另外，通過對碳纖維的進(jìn)一步石墨化還可以獲得高模量石墨纖維或高強(qiáng)度高模的MJ系列的高性能碳纖維。即在2000～3000℃高的熱處理溫度(HTT)下牽伸石墨化，使碳纖維由無定型、亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。
    對于碳纖維來說，預(yù)氧化時間為近百分鐘，炭化時間為幾分鐘，石墨化時間較短，一般只有幾秒到數(shù)十秒。