碳纖維的結構與性能

基本結構

理想石墨晶體的點陣結構屬于六方晶系，它是由碳原子組成六元環網狀結構的多層疊合體，在六元環中，碳原子以sp 2雜化的形勢存在，sp2雜化是有1個2s電子和2個2p電子進行雜化，構成3個等價的σ強鍵，鍵距為0.1421nm，平均鍵能為627kJ／mol，鍵角互為120。

同一平面內剩下的純2p軌道垂直于3個0鍵所在的平面，構成π鍵各碳原子的π鍵彼此平行而重疊，形成一個大π鍵；π電子上的非定域電子可自由地平行于層面運動，賦予其導電性能。它們可以吸收可見光，使石墨呈現黑色。石墨層面間依靠范德華力作用，遠遠小于層內的價鍵力，層間距0.3354nm，鍵能為5.4kJ／mol，石墨層相互錯開六元形對稱的一半，每隔一-層重復，形成ABAB．結構［4］，而賦予其自潤滑性和層間易插層性。碳纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，屬于多晶亂層石墨結構。與石墨結構的差別在于它的原子層面之間發生了不規則的平移與轉動，其六元網狀共價鍵結合在-起的原子層基本上平行于纖維軸排列，所以一般認為碳纖維是由沿著纖維軸高度取向的亂層石墨結構組成，致使其具有極高的軸向拉伸模量。石墨的層狀結構具有顯著的各項異性，使其物性也呈現出各項異性。

碳纖維性能及應用

碳纖維按狀態分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強度為1000 MPa、模量為10OGPa左右。高性能型碳纖維又分為高強型（強度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強度大于4000MPa的又稱為超高強型；模量大于450GPa的稱為超高模型。隨著航天和航空工業的發展，還出現了高強高伸型碳纖維，其延伸率大于2％。用量大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。碳纖維的軸向強度和模量高，無蠕變，耐疲勞性好，比熱及導電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數小，耐腐蝕性好，纖維的密度低，X射線透過性好。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發生氧化，與金屬復合時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。因此，碳纖維在使用前須進行表面處理。