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1、2/17/2023-1-第第8章章煤的炭素制品煤的炭素制品2/17/2023-2-煤的炭素制品 炭炭素素材材料料作作为为结结构构材材料料和和功功能能材材料料广广泛泛用用于于冶冶金金、机机电电、化化工工等等工工业业。近近几几十十年年来来出出现现的的新新型型炭炭素素材材料料因因其其优异的特性而广泛用于原子能、宇航、航空等领域。优异的特性而广泛用于原子能、宇航、航空等领域。炭炭素素材材料料是是指指从从无无定定形形炭炭到到石石墨墨结结晶晶的的一一系系列列过过渡渡态态炭炭。主主要要炭炭素素制制品品有有：冶冶金金用用的的电电极极和和耐耐高高温温材材料料；电电热热和和电电化化学学用用的的电电极极；机机电电用
2、用的的电电刷刷；化化工工和和机机械械工工业业用用的的不不透透性性石石墨墨和和耐耐磨磨材材料料；原原子子能能和和宇宇航航用用的的高高纯纯石石墨墨材材料料；用用作作高高温温结结构构材材料料和和烧烧蚀蚀材材料料的的炭炭纤纤维维及及其其复复合合材材料料以以及及用于化工和环保的各种用于化工和环保的各种炭炭质吸附剂等。质吸附剂等。2/17/2023-3-8.1 8.1 炭素材料的结构与性能炭素材料的结构与性能 石墨是由六角形碳网平面以一定规律叠合而成的三维有序结构。层面内碳原子的键长为0.14211nm，层面间为范德华键，层间距为0.33538nm。石墨晶体大部分呈六方体，少部分呈菱面体。石墨的最大特点是
3、各向异性。实际应用的炭素材料,绝大部分是乱层石墨结构和石墨的微晶结构。2/17/2023-4-炭素材料的主要特性：耐热性和抗热震性在非氧化介质中，炭是耐热性最好的材料,其升华温度为3350,12MPa时3700熔化。与金属相反,机械强度随温度升高而增大,大于2800时才失去强度,这是其它材料难以比拟的。炭和石墨制品由于膨胀系数低,导热系数高,又有较大的比热和体积密度,所以具有很好的抗热震性,能在高温下经受温度的剧烈变化而不遭破坏。例如石墨的抗热震系数为2399，而陶瓷只有20.11。2/17/2023-5-炭素材料的优异的热性质使它在火箭的喷嘴、燃烧室以及鼻锥上发挥独特的作用。良好的导热和导电
4、性石墨的导热性是各种非金属中最好的,介于铝和软钢之间,比不锈钢、铅、硅铁好。石墨的导电性介于金属与半导体之间。层面方向的电阻率为510-5cm。2/17/2023-6-良好的化学稳定性良好的化学稳定性炭炭素素材材料料在在非非氧氧化化介介质质中中具具有有极极好好的的化化学学稳稳定定性性。几几乎乎能能抵抵抗抗沸沸点点以以下下的的各各种种酸酸和和盐盐溶溶液液的的腐腐蚀蚀。石石墨墨是是罕罕有有的的能能在在任任何何温温度度下下耐耐氢氢氟酸和磷酸的几种材料之一。氟酸和磷酸的几种材料之一。2/17/2023-7-机械性能机械性能炭炭素素材材料料的的强强度度特特性性是是温温度度越越高高强强度度越越好好,是是高
5、高温温下下的的较较好好的的机机械械零零件件的的材材料料。炭炭纤纤维维及及其其复复合合材材料料具具有有很很高高的的比比强强度度和和比比模模量量,如如炭炭纤纤维维树树脂脂复复合合材材料料的的比比模模量量比比钢钢和和铝铝合合金金高高五五倍倍；比比强强度度比比钢钢和和铝铝合合金金高高三三倍倍。所所以以它它们们成成为为人人造造卫卫星星、火火箭箭、飞飞机机的的结结构构材材料。料。良良好好的的耐耐磨磨性性和和自自润润滑滑性性使使它它成成了了电电刷刷、高高温温轴轴承、机械密封的重要材料。承、机械密封的重要材料。2/17/2023-8-核物理性能核物理性能碳碳原原子子核核散散射射中中子子的的截截面面为为俘俘获获
6、中中子子截截面面的的1270倍倍,石石墨墨的的减减速速比比为为201,仅仅次次于于重重水水,但但成成本本比比重重水水低低得得多多,所所以以高高纯纯石石墨墨是是原原子子反反应应堆堆的的减减速速材材料。料。吸附性能吸附性能炭炭素素材材料料在在宏宏观观上上是是由由碳碳骨骨架架和和孔孔隙隙两两部部分分构构成成的的,为为多多孔孔性性物物质质。经经过过适适当当处处理理,提提高高吸吸附附能能力力,是耐热性好、化学稳定性好的炭质吸附材料。是耐热性好、化学稳定性好的炭质吸附材料。2/17/2023-9-8.2 生产原理和工艺过程 以有机物为原料制成各种炭素材料必须经过炭化过程。高温加热时,有机物的氢、氧、氮等元
7、素被分解,碳原子不断环化、芳构化。随温度升高,碳进一步缩聚成稠环芳烃和碳网平面并相互叠合。最终经过石墨化过程生成石墨结晶。整个变化过程如图6-4-05所示。2/17/2023-10-2/17/2023-11-要获得石墨结晶,有机物必须经过液相炭化过程,使碳原子排列呈现三维有序化。这一过程中，在300-500会出现类似液晶的中间相状态,这种中间相是生成尽可能规整化石墨晶格的基础，也是炭素材料可石墨化的决定性因素。2/17/2023-12-沥青、煤焦油等液相炭化时,大于350，各组分的分子发生分解和聚合。在400-430维持1-30小时后，当聚合的稠环芳烃分子量达到1000-1500,形成环数为十
8、几到二十多个稠环芳烃时,平面状的大分子凭借分子热运动相互接近,受范德华力和分子间偶极矩的吸引相互平行叠合,在表面张力作用下形成各向异性的中间相小球。随温度提高,时间延长,小球不断长大、相互融并成广域的中间相。中间相经过重排并在热解逸出气流作用下变形,逐步成为具有不同光学性质的半焦。2/17/2023-13-为了实现中间相转化的整个过程,要求炭化条件十分缓和,使液相处于无干扰、无温度梯度的条件下。如在恒温条件下热解,则热解温度应较低,一般在400左右；如采用渐增升温热解条件,则升温速度以5/分为宜。2/17/2023-14-石墨化是炭素材料经过2000以上高温处理的过程,使炭的乱层结构逐渐转变成
9、三维有序的石墨结构。(1)炭和石墨制品的工艺过程炭和石墨制品的工艺过程如图6-4-06所示,主要包括以下工序。2/17/2023-15-2/17/2023-16-原料及原料的煅烧基本原料包括骨(架)料和粘结剂。骨料主要是石油焦、沥青焦、炭黑、天然石墨、无烟煤等。粘结剂主要有煤焦油、煤沥青及合成树脂等。大部分骨料需预先经过煅烧,以排除水分、挥发分、提高原料密度、强度、导电性和抗氧化性。2/17/2023-17-配料和捏和根据不同产品的要求确定各种骨料的种类、粒度、数量,并选择合适的粘结剂。生产核石墨、火箭喷咀、超高功率电极必须用灰分低、强度高、易石墨化的针状焦、石油焦、沥青焦。对纯度要求不高的产
10、品,可以选用冶金焦、无烟煤为骨料。捏和的目的是把不同组分、不同粒度的原料捏和成宏观上均一的可塑性混合物。成型为了制得不同形状、尺寸、密度和物理机械性能的制品,必须将混合料进行成型。成型方法有模压、挤压、振动成型、等静压成型等。2/17/2023-18-焙烧焙烧是将生坯在隔绝空气和用焦粉和黄砂的保护下,加热到1300左右的热处理过程。其目的是粘结剂炭化,使粘结剂和骨料更好的牢固结合,使制品获得新的物理和机械性能。石墨化焙烧后的制品中,碳原子主要为两维有序排列,属于乱层结构,只有通过2000-3000高温处理,才能成为三维有序的石墨晶体。2/17/2023-19-炭素纤维炭素纤维按处理温度不同分为
11、炭纤维(800-1800)和石墨纤维(2000-3000)。因原料不同有聚丙烯腈(PAN)炭纤维、纤维素炭纤维、沥青炭纤维等。其中PAN炭纤维工艺最成熟,产量占首位，虽然力学性能很好,但其碱金属含量高,不能用作烧蚀材料。纤维素炭纤维以粘胶丝为原料,碱金属含量低,常用作烧蚀材料，但力学性能较差。沥青炭纤维的原料是煤和石油沥青，价廉易得，炭化收率高，虽然目前性能不及PAN炭纤维，但是发展方向。2/17/2023-20-不论何种炭纤维，基本的生产工艺相似，它包括原料的制备或调制；纺丝；原丝的预氧化或不熔化处理；预氧化丝的炭化和石墨化。PAN炭纤维PAN炭纤维的原料是丙烯腈和其它单体(1-2%)的共聚
12、体。由于原丝的杂质、孔隙、裂纹、粗细不匀等直接影响产品的强度，所以纺丝是十分重要的工序。一般要求原丝截面呈腰子形，以利预氧化时氧的渗透和生成物的放出，使纤维的结构变化均匀。2/17/2023-21-预氧化的目的是防止原丝炭化时熔融。常用空气氧化法。其主要反应是：氧化、脱氢和环化反应。影响预氧化的因素是温度和时间。氰基的环化反应是一级反应，提高温度有利预氧化速度。但温度过高，反应太剧烈，放出的热量不易释放，会导致PAN热降解，一般控制在230以下。预氧化时间根据预氧化丝的密度、含碳量、含氧量来确定。为了提高产品的力学性能，预氧化时原丝采用引力牵伸。为了防止过度牵伸造成裂纹和空隙，常用多段牵伸法。
13、2/17/2023-22-炭化需在高纯度惰性气氛下进行，温度为1000-1800左右，生成含碳量95的炭纤维。在700以前的低温区，未反应的PAN进一步环化，分子脱水脱氢交联；在大于700的高温区，分子链间的交联和炭网平面进一步增大。石墨化时由于微晶择优取向，纤维强度和模量增大。石墨化一般在纯氩气介质中进行。温度大于1800。2/17/2023-23-沥青炭纤维沥青炭纤维的关键是原料沥青的调制和纺丝。因调制方法不同分为各相同性沥青炭纤维和中间相沥青炭纤维。目前中间相沥青炭纤维的力学性能已接近PAN炭纤维，而价格只有它的三分之一。中间相沥青应该：杂质低于千分之几；中间相含量为50-70；呈塑性流
14、动；有一定反应性。中间相沥青纺丝较困难，为此开发了拟似中间相沥青炭纤维。纺丝时分子定向的控制很重要，它与纺丝温度、喷丝孔形状、气氛温度有关。沥青纤维的不熔化处理一般在250-400氧化气氛中进行。2/17/2023-24-8.3 8.3 活性炭活性炭 1.活性炭2.活性炭的结构3.活性碳的分类4.活性碳的用途2/17/2023-25-活性炭是由无定形炭构成的黑色多孔性固体，具有极高的比表面积。活性炭不论用作吸附剂还是催化剂载体，最基本的要求是具有良好的吸附性能和较高的机械强度。活性炭早期以木质为原料，现在，大部分用煤炭制造，原料煤要求灰分低、挥发分适中、粘结性和膨胀性小、反应活性和强度高，有发
15、达的孔隙结构。生产颗粒活性炭首先要成型造粒。煤先粉碎、配加煤焦油、捏混然后成型。成型方法有挤条、压块、滚球等。2/17/2023-26-活性炭是一种由含炭材料制成的外观呈黑色，活性炭是一种由含炭材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不类微晶质碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔。见的微孔。活性炭主成分除了活性炭主成分除了碳元素碳元素以外还有以外还有氧氧、氮、氮、氢氢等等元素及灰份元素及灰份。活性炭活性炭2/17/2023-27-活性炭在结构上由于碳是不规则排列，在交叉连活性
16、炭在结构上由于碳是不规则排列，在交叉连接之间有细孔，接之间有细孔，造成了活性碳多微孔体积及高表面积造成了活性碳多微孔体积及高表面积的特性。的特性。活性炭的孔结构十分复杂，活性炭的孔结构十分复杂，形状各异，孔隙大小形状各异，孔隙大小从不到从不到1nm直至直至1万万nm以上，按其孔隙大小可分为以上，按其孔隙大小可分为大孔、过渡孔，微孔，其大小范围如下：大孔、过渡孔，微孔，其大小范围如下：活性炭的结构活性炭的结构2/17/2023-28-大孔：半径为100-2000nm，主要是能使被吸附物的分子迅速地进入位于活性碳粒子更深处的内层细孔。过渡孔：半径为2-100nm，过渡孔的表面积占总面积的5%。它是
17、作为被吸附物质到微孔的信道。微孔：半径为2nm以下。微孔的表面积占总面积的95%。能提供很大的比表面积给活性碳吸附杂质。2/17/2023-29-活性炭的主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料，如煤、木材、果壳等。这些含碳材料在活化炉中，在高温和一定压力下通过热解作用被转换成活性炭。按原料来源分木质活性炭 兽骨、血炭 矿物质原料活性炭 其它原料的活性炭 再生活性炭活性碳的分类活性碳的分类2/17/2023-30-按制造方法分按制造方法分:化学法活性炭（化学药品活化法炭）物理法活性炭(气体活化法炭)化学-物理法或物理-化学法活性炭 按外观形状分 粉状活性炭 颗粒活性炭 o不定型颗料活性炭 o园柱
18、形活性炭 o球形活性炭 纤维状活性碳2/17/2023-31-活性碳的用途空气凈化：能吸附过滤空气中的恶臭、体臭、烟气、毒气、O3、SO2、NO等。水凈化：能去除水中的重金属离子、致癌物 质、臭味、霉味、细菌及脱色等；可 用于自来水、食品工业用水及工业用 纯水等处理；环保工程：废气及污水处理；防毒口罩、防毒衣、香烟过滤嘴等；2/17/2023-32-溶剂回收：对苯类、酮类、酯类、石油类均能 吸附回收。贵金属提炼或回收、吸附放射性物质，也可用于作为催化剂载体、气相色谱的固定相；医药上用于包扎带，急性解毒剂、人工肾脏等；电子及能源方面应用，如高容量电容、蓄电池等；耐高温及保温材料。2/17/202
19、3-33-2/17/2023-34-炭炭化化是是生生产产优优质质活活性性炭炭的的重重要要一一环环，其其实实质质使使原原料料和和粘粘结结剂剂发发生生热热分分解解和和热热缩缩聚聚反反应应，生生成成具具有有一一定定初初始始孔孔的的炭炭化化料料。炭炭化料具有一定的强度和挥发分含量。化料具有一定的强度和挥发分含量。活活化化是是活活性性炭炭的的关关键键工工序序，煤煤制制活活性性炭炭常常用用气气体体活活化化法法，活化剂为水蒸气、二氧化碳。活化剂为水蒸气、二氧化碳。活活化化反反应应的的实实质质是是通通过过碳碳的的氧氧化化反反应应生生成成多多孔孔结结构构：具具有有开开孔孔作作用用，打打开开炭炭化化料料中中的的封
20、封闭闭孔孔；扩扩孔孔作作用用，扩扩大大孔孔隙隙直直径径；选择性活化生成新孔。选择性活化生成新孔。活活化化工工艺艺条条件件可可以以调调节节活活性性炭炭的的孔孔隙隙率率、比比表表面面积积和和孔孔径径积和孔径分布。积和孔径分布。主主要要控控制制因因素素是是：活活化化剂剂种种类类和和流流量量；活活化化温温度度；时时间间；炭化料的性状和粒度等炭化料的性状和粒度等2/17/2023-35-8.4炭分子筛炭分子筛8.4.1炭分子筛（炭分子筛（CMS）结构特点）结构特点炭炭分分子子筛筛（CMS）作作为为一一种种新新型型吸吸附附剂剂。自自60年年代代末末实实现现工工业业化化以以来来，得得到到迅迅速速发发展展。炭
21、炭分分子子筛筛是是一一种种孔孔径径分分布布比比较较均均一一，含含有有4-5A超超微微孔孔结结构构的的特特种种活活性性炭炭。因因其其孔孔径只有分子大小，故具有分子筛的作用。径只有分子大小，故具有分子筛的作用。CMS与与传传统统的的吸吸附附剂剂相相比比，主主要要区区别别在在于于其其孔孔隙隙结结构构：CMS主主要要由由微微孔孔及及少少量量大大孔孔组组成成，孔孔径径分分布布较较窄窄，约约在在0.5l.0nm，而而普普通通活活性性炭炭（AC）除除微微孔孔外外，还还有有大大量量的的中中孔孔和和大大孔孔平平均均孔孔径径高高达达2nm。CMS的的孔孔为为狭狭缝缝形形，而而沸沸石石分分子子筛筛（ZMS）的的孔孔
22、力力墨墨水水瓶瓶形形，孔孔口口截截面面一一般般呈呈不不规则的椭圆形。规则的椭圆形。2/17/2023-36-2/17/2023-37-8.4.2炭分子筛（炭分子筛（CMS）应用）应用目目前前，国国际际上上生生产产商商品品CMS的的公公司司主主要要有有德德国国BF公公司司、日日本本Takeda公公司司以以及及美美国国Calgop炭炭化化公公司司。CMS主主要要用用于于吸吸附附分分离离领领域域，它它已已成成熟熟地地应应用用于于变变压压吸吸附附分分离离空空气气中中的的N2和和O2。以以CMS为为吸吸附附剂剂的的变变压压吸吸附附空空气气分分离离技技术术作作为为一一种种中中小小规规模模经经济济地地制制取
23、取富富氮氮的的可可靠靠方方法法；已已在国内外得到广泛应用。在国内外得到广泛应用。此此外外，CMS还还可可用用于于从从富富氧氧气气体体中中浓浓缩缩回回收收氩氩，从从焦焦炉炉气气、高高炉炉气气、重重整整废废气气或或氨氨分分解解等等气气体体中中回回收收精精制制氢氢，分分离离矿矿井井气气中中的的甲甲烷烷和和CO2，以以及及从从燃燃烧烧烟烟气气中中回回收收高纯度高纯度CO2等。等。2/17/2023-38-8.4.3CMS的特性及筛分分离原理的特性及筛分分离原理CMS广广义义上上是是炭炭质质吸吸附附剂剂，狭狭义义上上是是微微孔孔分分布布均均匀匀的的活活性性炭炭，它它是是由由结结晶晶炭炭和和无无定定形形炭
24、炭构构成成。由由于于主主要要是是由由碳碳原原子子形形成成其其表表面面为为非非极极性性、吸吸附附原原理理主主要要是是靠靠范范德德华华力力的的物物理理吸吸附附，因因此此它它是是一一种种非非极极性性吸吸附附剂剂，具具有有疏疏水水性性，能能选选择择性性地地吸吸附附非非极性化合物。极性化合物。ZMS是是由由硅硅铝铝酸酸盐盐（Si-O-Al）构构成成，这这类类吸吸附附剂剂能能选选择择性性地地吸吸附附具具有有四四极极子子和和偶偶极极子子以以及及不不饱饱和和键键和和离离子子性性官官能能团团的的化化合合物物和和分分子子。所所以以能能作作为为脱脱水水剂剂或或干干燥燥剂剂，通通过过吸吸附附除除去去典典型型极极性性化
25、化合合物物水水。借借助助变变压压吸吸附附装装置置（PSA），通通过过静静电电相相互互作作用用利利用用ZMS选选择择吸吸附附空空气气中中具具有有中中极极子子的的儿儿从从而而可可制制造造一定纯度的一定纯度的O22/17/2023-39-CMS的另一特性是其细孔形状。ZMS的细孔为墨水瓶形，它只能吸附比其孔口最小直径（D2）小的分子，因此平均直径为0.5nm的ZSM5型对大于D2的苯、萘等平面状分子结构的芳烃都不能吸附。而CMS的孔为狭缝形，它可以吸附直径比孔间隙最小宽度（Dc）小的分子。2/17/2023-40-8.4.4CMS的制备方法的制备方法制备炭分子筛的原料可分为如下几类：制备炭分子筛的原
26、料可分为如下几类：（1）有有机机高高分分子子聚聚合合物物，包包括括Saran树树脂脂、酚酚醛醛树树脂脂、脲脲醛醛树脂、聚糖醇、聚偏二氧乙烯、聚乙烯醇树脂、聚糖醇、聚偏二氧乙烯、聚乙烯醇/酚醛树脂等。酚醛树脂等。（2）各种煤，包括泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤等）各种煤，包括泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤等（3）植物类，包括木材、椰子壳等）植物类，包括木材、椰子壳等.（4）煤煤衍衍生生物物，包包括括煤煤加加氢氢液液化化产产物物、煤煤低低温温干干馏馏半半焦焦、煤超临界萃取残渣等。煤超临界萃取残渣等。上上述述各各种种原原料料中中，煤煤因因原原料料来来源源广广、价价格格低低、制制备备工工艺艺简简单而占据首要地位。
27、单而占据首要地位。2/17/2023-41-炭炭分分子子筛筛的的生生产产工工艺艺和和活活性性炭炭相相似似，关关键键在于孔径的调整。在于孔径的调整。当孔径过小时，用气体活化法扩孔；当孔径过小时，用气体活化法扩孔；当当孔孔径径过过大大时时用用热热收收缩缩法法在在1200-1800煅煅烧烧，使使孔孔径径收收缩缩；也也可可用用堵堵孔孔法法减减小小孔孔径径，包括气相附着法和浸渍覆盖法。包括气相附着法和浸渍覆盖法。2/17/2023-42-CMS的制法大致可分成五类：的制法大致可分成五类：1）热分解法：树脂在适当条件下炭化制得。）热分解法：树脂在适当条件下炭化制得。2）活活化化法法：煤煤或或树树脂脂的的炭
28、炭化化物物在在严严密密条条件件下下，低低程程度度活活化化，扩大其中的微孔。扩大其中的微孔。3）涂涂层层法法：活活性性炭炭或或炭炭化化物物中中加加沥沥青青或或树树脂脂后后进进行行热热处处理理，然后由热解炭涂层微孔，使孔径缩小。然后由热解炭涂层微孔，使孔径缩小。4）沉沉积积法法：在在含含苯苯之之类类的的烃烃类类气气体体中中热热处处理理活活性性炭炭，通通过烃气体的分解析出热解炭缩小孔径。过烃气体的分解析出热解炭缩小孔径。5）热热收收缩缩法法：将将煤煤、树树脂脂的的炭炭化化物物、活活性性炭炭等等在在1000以以上高温热处理，通过热收缩，缩小孔径。上高温热处理，通过热收缩，缩小孔径。2/17/2023-
29、43-煤炭基分子筛制备工艺煤炭基分子筛制备工艺我国炭分子筛工业生产起步阶段具有代表性的工艺路线有两个；以无烟煤为原料；煤煤粉粉碎碎加加粘粘结结剂剂造造球球成成型型干干燥燥炭炭化化气体活化气体活化气体堵孔剂碳沉积气体堵孔剂碳沉积炭分子筛；炭分子筛；以弱粘接性烟煤为原料：煤煤粉粉碎碎加加粘粘结结剂剂造造球球成成型型干干燥燥炭炭化化气体堵孔剂碳沉积气体堵孔剂碳沉积炭分子筛。炭分子筛。2/17/2023-44-8.5 8.5 碳纤维碳纤维定义：碳纤维是指纤维的化学组成中碳定义：碳纤维是指纤维的化学组成中碳元素占总质量元素占总质量90%以上的纤维。以上的纤维。2/17/2023-45-1)1)前言前言碳
30、碳纤纤维维的的研研制制并并实实现现工工业业化化生生产产始始于于二二十十世世纪纪50年代。年代。1996年年全全世世界界碳碳纤纤维维的的总总产产量量已已经经达达到到17000t，其其中中聚聚丙丙烯烯腈腈(PAN)基基纤纤维维占占85%，其其余余的的是是沥沥青青基基纤纤维维。由由于于聚聚丙丙烯烯腈腈基基纤纤维维作作原原料料，其其生生产产工工艺艺比比较较简简单单，产产品品的的力力学学性性能能优优良良，因因此此得得到到了了大大力力发发展展。沥沥青青基基碳碳纤纤维维，由由于于原原料料来来源源丰丰富富，价价格格便便宜宜，而而且且含含碳碳量量高高，碳碳化化后后的的制制得得率率高高，所所以以正正在在迅迅速速发
31、发展展，有可能在碳纤维的民用工业方面获得很好的推广应用。有可能在碳纤维的民用工业方面获得很好的推广应用。2/17/2023-46-碳纤维的分类，按习惯大致有以下三种方碳纤维的分类，按习惯大致有以下三种方法：法：（1 1）按原料分类：）按原料分类：碳纤维碳纤维 2)2)碳纤维的分类碳纤维的分类2/17/2023-47-（2 2）按制造条件和方法分类：）按制造条件和方法分类：碳纤维碳纤维（3 3）按力学性能分类：）按力学性能分类：碳纤维碳纤维 2/17/2023-48-3、碳纤维的性能、碳纤维的性能（十项优点；三项缺点）（十项优点；三项缺点）2/17/2023-49-（1）在在纤纤维维轴轴方方向向
32、显显示示高高抗抗拉拉强强度度和和高高弹弹性性模模量量强强度度和和弹弹性性模模量量是是衡衡量量材材料料坚坚固固程程度度的的两两个个最最重重要要的的力力学学性性能能指指标标。高高强强度度的的碳碳纤纤维维的的抗抗拉拉强强度度可可达达到到3040吨吨/平平方方厘厘米米，要要比比钢钢铁铁大四倍多。大四倍多。2/17/2023-50-（2）比重轻）比重轻1.72.2碳碳纤纤维维比比重重只只比比一一般般塑塑料料重重一一点点。碳碳纤纤维维的的比比重重是是铝铝合合金金的的1/2，还还不不到到钢钢铁铁的的1/4。如如按按它它的的抗抗拉拉强强度度比比钢钢铁铁大大4倍倍，比比铝铝合合金金大大6倍倍计计算算，碳碳纤纤维
33、维的的比比强强度度比比钢钢铁铁大大16倍倍，比比铝铝合合金金大大12倍倍。由由于于碳碳纤纤维维的的比比强强度度和和比比弹弹性性模模量量特特别别高高，所所以以对对于于那那些些要要求求全全面面减减轻轻自自重重的的物物体体，如如宇宇航航用用品品、交交通通用用品品、体体育育比比赛赛用用品就有更大的意义。品就有更大的意义。2/17/2023-51-（3）纤度细）纤度细碳碳纤纤维维的的外外表表很很平平凡凡，粗粗看看起起来来象象人人的的头头发发，但但比比人人的的头头发发要要细细得得多多。将将几几十十根根碳碳纤纤维维合合在在一一起起才才和和人的头发一样粗细。碳纤维细度可为人的头发一样粗细。碳纤维细度可为0.0
34、5Tex。2/17/2023-52-（4）不生锈、耐腐蚀）不生锈、耐腐蚀碳碳纤纤维维不不生生锈锈，耐耐腐腐蚀蚀。除除了了浓浓度度大大于于75%的的硝硝酸酸和和硫硫酸酸外外，盐盐酸酸、硝硝酸酸、硫硫酸酸和和一一些些有有机机溶溶剂剂腐腐蚀蚀不不了了碳碳纤纤维维。把把碳碳纤纤维维放放在在一一些些酸酸液液中中，二二百百天天后后测测量量其其弹弹性性模模量量、强强度度和和直直径径的的变变化化，发发现现在在浓浓度度为为50%的的盐盐酸酸、硫硫酸酸和和磷磷酸酸中中没没有有明明显显的的变变化化，在在50%浓浓度度的的硝硝酸酸中中只只是是稍稍有有膨膨胀胀，其其耐耐腐腐蚀蚀性性能能远远优优于于不不锈锈钢钢。在在一一
35、份份硝硝酸酸（浓浓度度70%）和和三三份份盐盐酸酸（浓浓度度37%）配成的）配成的“王水王水”中，碳纤维性能不变。中，碳纤维性能不变。2/17/2023-53-（5 5）、既能耐低温，又能耐超高温）、既能耐低温，又能耐超高温在在180C的的低低温温下下，许许多多材材料料都都变变得得很很脆脆，而而石石墨墨纤纤维维布在这么低的温度下却依旧是很柔软。布在这么低的温度下却依旧是很柔软。在在30004000C的的高高温温下下，在在没没有有氧氧气气的的情情况况下下，碳碳纤纤维维在这样的高温下也还是巍然不动。在这样的高温下也还是巍然不动。一一般般材材料料的的强强度度随随着着温温度度的的升升高高都都要要大大幅
36、幅度度降降低低，但但碳碳材材料料却却是是唯唯一一的的一一种种在在高高温温下下随随着着温温度度升升高高而而强强度度增增大大的的材材料料。理理论论上上，随随着着温温度度的的升升高高，在在2500C时时，碳碳材材料料的的强强度度不不仅仅不不降降低低，反反而而比比室室温温的的强强度度还还要要提提高高一一倍倍。然然而而在在现现有有的的实实际际操操作作中中，碳碳纤纤维维随随着着温温度度升升高高而而强强度度并并不不增增加加，但但在在2000C以以上上的的高高温温下下，碳碳纤纤维维的的强强度度和和弹弹性性模模量量却却仍仍能能基基本本保保持持。因因此此，碳纤维的耐高温性能还是远远超过了一般材料。碳纤维的耐高温性
37、能还是远远超过了一般材料。碳纤维的升华温度高达碳纤维的升华温度高达3650C。2/17/2023-54-（6）能耐温度急变，热膨胀系数小）能耐温度急变，热膨胀系数小碳碳纤纤维维的的耐耐急急冷冷急急热热性性能能很很好好，制制品品即即使使它它从从3000C的的高高温温一一下下子子猛猛降降到到室室温温也也不不会会炸炸裂裂，这这是是因因为为它它的的线线膨膨胀胀系系数数很很低的缘故。低的缘故。碳碳纤纤维维受受到到温温度度变变化化时时，在在它它的的长长度度方方向向上上不不是是热热胀胀冷冷缩缩，而而是是热热缩缩冷冷胀胀，它它的的膨膨胀胀系系数数是是个个负负数数。它它的的膨膨胀胀系系数数的的绝绝对对值比钢小几
38、十倍，比玻璃要小上百倍，实际上近于零。值比钢小几十倍，比玻璃要小上百倍，实际上近于零。因因此此，碳碳纤纤维维及及其其和和某某些些塑塑料料、金金属属做做成成的的复复合合材材料料，可可以以用用来来制制造造精精密密仪仪器器、精精密密量量具具和和精精密密机机车车的的零零件件。而而且且即即使使在温度变化较大的环境中使用，也还能保持其高度的精确性。在温度变化较大的环境中使用，也还能保持其高度的精确性。2/17/2023-55-（7）常温下导热性能良好，高温下导热性能低）常温下导热性能良好，高温下导热性能低导导热热性性是是材材料料传传导导热热量量能能力力大大小小的的一一个个物物理理性性能能指指标标。碳碳纤纤
39、维维在在常常温温下下导导热热性性能能较较好好，但但它它的的导导热热性性能能是是随随着着温温度度而而变变化化的的。随随着着温温度度的的升升高高，碳碳纤纤维维的的导导热热性性逐逐渐渐变变低低，在在2000C以以上上的的高高温温下下，它它的的导导热热性性要要比比在在常常温温时时低低五五、六六倍倍。同同时时，碳碳纤纤维维的的高高温温导导热热性性能能比比其其它它材材料料也也要要低低得得多多（只只有有金金属属的的百百分分之之一一，耐耐火火粘粘土土的的十十分分之之一一）。因因此此，碳碳纤纤维维是是一一种种很很好好的的高高温温隔隔热热材材料料。用用于于火火箭箭、真真空空电电炉炉外外壳壳，缩缩小小了了火火箭和真
40、空炉的体积和重量。箭和真空炉的体积和重量。2/17/2023-56-（8）突出的导电性能）突出的导电性能碳纤维具有很好的导电性。碳纤维具有很好的导电性。碳碳纤纤维维由由于于是是纤纤细细的的纤纤维维结结构构，所所以以它它的的材材质质又又与与织织物物的的性性质质有有联联系系，碳碳纤纤维维制制成成的的碳碳线线、碳碳布布具具有有柔柔软软性性，可可以以作作成成柔柔软软的的“电电阻阻丝丝”，用用在在一一些些特特殊殊的的环环境境中中，它它们们的的电电阻阻值值可可以以通通过过制制造造过过程程中中控控制制碳碳化化温温度度来来调调节节，所所以以电电阻阻值值能能调调得得很很高高，使使需需要要的的电电流流相相当当微微
41、小小，有有利利于于接接线线的的设设计计。同同时时，这这种种柔柔软软的的电电阻阻丝丝在在运运行行中中不不会会变变脆脆，不不会会产产生生局局部部过过热热，是是一一种种电电阻阻加加热热最最有有前前途途的的新新材材料料。由由于于碳碳纤纤维维的的电电阻阻值值可可以以调调得得很很高，所以也可以做成表面积较大的发热元件。高，所以也可以做成表面积较大的发热元件。碳碳纤纤维维具具有有高高的的发发射射率率，在在1100C它它的的发发射射率率为为钨钨的的二二倍倍，故可用小电流产生大的辐射功率。（光）故可用小电流产生大的辐射功率。（光）2/17/2023-57-（9）优良的吸附性能）优良的吸附性能碳碳纤纤维维具具有有
42、很很好好的的吸吸附附性性能能。用用多多孔孔的的原原料料纤纤维维制制得得的的碳碳纤纤维维，或或用用普普通通碳碳纤纤维维在在蒸蒸汽汽气气流流中中加加热热到到800C处处理理后后得得到到的的碳碳纤纤维维，都都具具有有比比其其它它材材料料优优异异的的吸吸附附性性能能。这这种种材材料料具具有有巨巨大大的的表表面面积积，而而且且表表面面上上的的碳碳原原子子处处于于“活活化化”状状态态，很很容容易和其它化学物质结合。易和其它化学物质结合。多多孔孔活活性性炭炭碳碳纤纤维维和和目目前前工工业业上上广广泛泛应应用用的的吸吸附附材材料料颗颗粒粒活活性性碳碳相相比比较较，无无论论从从通通气气、透透水水性性、吸吸附附能
43、能力力和和吸吸附附速速度度等等性性能能方方面面，都都远远远远超超过过了了颗颗粒粒状状活活性性炭炭，它它的的通通气气阻阻力力仅仅为为后后者者的的1/21/5，吸吸附附有有机机溶溶剂剂、硫硫的的氧氧化化物物和和氮氮的的氧氧化化物物等等有害气体的能力为其有害气体的能力为其1.52倍多。倍多。2/17/2023-58-（10）碳纤维还具有耐辐射，碳纤维还具有耐辐射，能反射中子等特性。能反射中子等特性。2/17/2023-59-碳纤维的缺点：碳纤维的缺点：A、比较脆、怕受压和剪切比较脆、怕受压和剪切碳纤维尤其害怕碳纤维尤其害怕“打结打结”和和“急拐弯急拐弯”。B、抗氧化性差抗氧化性差碳碳纤纤维维抗抗氧氧
44、化化性性差差，在在高高温温下下容容易易生生成成二二氧氧化化碳碳跑跑掉掉，所所以以它它不耐氧化。不耐氧化。C、破坏前无预报破坏前无预报碳碳纤纤维维在在断断裂裂前前没没有有预预报报。碳碳纤纤维维由由于于弹弹性性模模量量高高，受受力力后后产产生生的的变变形形很很小小，所所以以即即使使当当它它被被拉拉断断时时，也也只只产产生生0.5%的的伸伸长长变变形形。因因此此碳碳纤纤维维在在断断裂裂之之前前，没没有有任任何何明明显显的的征征兆兆，人人们们不不能在事故发生之前采取预防措施。能在事故发生之前采取预防措施。2/17/2023-60-4、碳纤维的结构、碳纤维的结构（1）各向同性的碳纤维）各向同性的碳纤维（
45、2）各向异性的碳纤维）各向异性的碳纤维2/17/2023-61-（1）各向同性的碳纤维）各向同性的碳纤维普普通通碳碳纤纤维维是是由由有有机机纤纤维维在在不不加加张张力力的的情情况况下下，在在惰惰性性气气体体或或真真空空中中经经高高温温处处理理而而制制成成的的。这这类类纤纤维维的的制制造造费费用用是是所所有有碳碳纤纤维维中中最最低低的的，并并且且它它的的强强度度、弹弹性性模模量量也也不不高高。因因此此，它它主主要要用用做做高高温温电电炉炉的的保保温温材材料料及及一一般般的的防防腐腐蚀蚀材材料料。如如果果用用多多孔孔的的有有机机纤纤维维作作原原料料，那那么么碳碳化化后后得得到到的的则则是是多多孔孔
46、的的活活性性炭炭碳碳纤纤维维。这这种种碳碳纤纤维维虽虽然然强强度度不不太太高高，但但它它的的比比表表面面积积（单单位位重重量量物物质质所所具具有有的的表表面面积积）特特别别大大，是是一一种种非非常常好好的的吸附材料。吸附材料。2/17/2023-62-各各向向同同性性的的碳碳纤纤维维是是由由玻玻璃璃状状的的碳碳，即即具具有涡轮层叠结构的多晶状态碳组成。有涡轮层叠结构的多晶状态碳组成。微晶大小微晶大小LaLa和和LcLc约为约为1.53.0nm1.53.0nm空隙体积空隙体积3040%3040%密度约密度约1.41.5g/cm1.41.5g/cm3 3由由于于没没有有优优先先取取向向，所所以以其
47、其弹弹性性模模量量和和抗抗拉拉强强度度相相对对较较小小。因因此此，适适用用于于填填充充材材料料和隔热材料的织物、毛毡和线绳。和隔热材料的织物、毛毡和线绳。2/17/2023-63-（2）各向异性的碳纤维）各向异性的碳纤维在在石石墨墨结结构构中中，每每个个碳碳原原子子只只是是以以三三个个等等强强的的共共价价键键和和其其它它三三个个碳碳原原子子结结合合。因因此此，石石墨墨分分子子内内部部的的碳碳原原子子是是成成层层状状排排列列的的。在在每每一一层层内内，各各碳碳原原子子都都和和另另外外三三个个碳碳原原子子以以等等强强的的共共价价键键相相结结合合，两两个个相相邻邻共共价价键键间间夹夹角角为为120，
48、每每个个碳碳原原子子和和相相邻邻的的三三个个碳碳原原子子间间距距离离都都相相等等，构构成成一一个个正正六六边边形形环环。平平行行于于平平面面网网层层方方向向的的硬硬度度接接近近于于金金刚刚石石，而而垂垂直直于于平平面面网网层层方方向向的的硬硬度度则则要要小小得得多多（相相差差约约三三、四四十十倍倍）。同同样样，在在垂垂直直和和平平行行方方向向上上，石石墨墨的的导导电电性性、导导热热性性和和膨膨胀胀系系数数等等，也也都都要要相相差差许许多多倍倍。为为各向异性材料。各向异性材料。2/17/2023-64-石石墨墨平平面面层层就就不不象象普普通通石石墨墨结结构构平平面面网网层层那那样样杂杂乱乱地地排
49、排列列，而而是是沿沿着着纤纤维维长长度度方方向向平平行行而而整整齐齐地地排排列列，这这就就是是高高弹弹性性模模量量、高高强强度度碳碳纤纤维维的的结结构和普通石墨不同的地方。构和普通石墨不同的地方。一一般般在在高高弹弹性性模模量量、高高强强度度碳碳纤纤维维结结构构中中，石石墨墨层层平平面面偏偏离离纤纤维维长长度度方方向向（轴轴向向）的的角角度度在在10以以内内，这这个个角角度度叫叫做做取取向向角角。显显然然，取取向向角角愈愈小，石墨层平面与纤维轴向的平行度就愈高，或者叫做取向度愈高。小，石墨层平面与纤维轴向的平行度就愈高，或者叫做取向度愈高。当当纤纤维维受受到到外外力力拉拉伸伸时时，全全部部是是
50、由由许许多多互互相相平平行行的的石石墨墨平平面面网网层层内内的的碳碳原原子子来来分分担担的的。石石墨墨平平面面层层内内的的碳碳原原子子，都都象象大大自自然然中中最最硬硬的的物物质质金金刚刚石石结结构构内内的的碳碳原原子子一一样样，彼彼此此间间结结合合得得很很牢牢固固，因因此此，要要使使它它变变形形或或破破坏坏它它，就就也也得得象象破破坏坏金金刚刚石石那那样样，要要用用比比其其它它材材料料更更大大的的力力才才行行，这这也也就就是碳纤维的弹性模量和强度特别高的原因。是碳纤维的弹性模量和强度特别高的原因。2/17/2023-65-W.W.罗罗朗朗(W.RulandW.Ruland)等等提提出出了了异