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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