2.1.2 沥青基炭纤维

沥青是一种以缩合多元芳烃化合物为主的低分子烃类混合物, 其中含碳量在70%左右, 沥青一般可从石油和煤焦油中提取。用沥青做成的炭纤维有两种, 即通用级沥青和各向异性高模量纤维。沥青基纤维和PAN炭纤维相比具有高热导[中间相沥青纤维的热导率高达600~800 W/(m·K)]、 热膨胀系数低、 耐冲击性好、 资源丰富、 炭收率高等优点。

并不是所有的沥青都可用来制作炭纤维, 一般的煤沥青、 石油沥青是不能用来生产炭纤维的。由于沥青的成分复杂, 是一种混合物, 所以这种沥青需要调制与精化。

沥青调制与精化的目的是滤除各种一次性不溶物、 纯化化学成分并调控分子量。经过调制, 沥青具有良好的纺丝流变性能、 一定的化学活性等特性。然后经过熔融纺丝、 不熔化处理、 炭化等过程, 可获得炭纤维和石墨纤维。炭化过程中施加张力是必要的, 它可以使炭纤维的强度提高40%, 模量提高25%左右。

2.1.3 黏胶基炭纤维

1891年, 美国人克罗斯和贝文发明了黏胶纤维。之后将黏胶基纤维原丝加捻、 稳定化处理、 低温炭化、 高温石墨化等过程后制得黏胶基炭纤维。黏胶基炭纤维的生产在美国和俄罗斯有一定的发展, 特别是在军工和航天设备的生产上有独特的使用价值。

2.2 炭纤维预制体的种类及编制过程

炭纤维是复合材料中的增强相, 必须与基体材料进行复合才能发挥作用。炭纤维是一维材料, 根据产品使用要求, 可进行设计与编织成为一维、 二维、 三维和多维织物预制体, 炭纤维的排布方式将直接影响并决定最终材料的性能, 因此, 炭纤维预成型技术即预制体的制造是非常重要的一个环节。

炭/炭复合材料的一些缺点和不足将随着生产技术的进步而被克服, 特别20世纪70年代以来, 编织机械相继面世, 预制体编织技术的发展, 使编织结构复合材料得到了较快的发展。进入80年代以后, 编织技术由二维编织到三维甚至四维以上的多维编织, 从单种类纤维编织到不同类纤维的混杂编织, 已经形成了一种高新的编织技术, 图2-6显示出炭纤维的空间排布方式。表2-2为炭纤维的排布方式与特性, 展示了不同排布的性能对比。

图2-6 炭纤维排布方式