煤系通用型碳纖維的制備與研究

劉金昌，楊 帥，解 強，梁鼎成

（中國礦業大學（北京） 化學與環境工程學院，北京 100083）

0 引 言

碳纖維的發現可以追溯到19 世紀末，工程師利用天然植物纖維為原料，將其炭化制得的碳纖維用作白熾燈燈絲［1］。 碳纖維行業經過長期的發展，尤其從20 世紀中期開始，隨著人類對太空探索的需要，碳纖維作為耐高溫的高強度材料得到了越來越多的重視，美國首先以植物纖維為原料，實現了碳纖維的工業化生產［1-2］。 現今的碳纖維憑借其優異的強度性能，在航空航天、國防工業、建筑增強、體育用品、醫療器械等多種行業應用廣泛［3-6］。 碳纖維是由含碳元素為主（質量分數大于90%）的有機纖維在惰性氣氛中經高溫炭化而形成的具有優異抗拉強度和楊氏模量的纖維狀炭化合物［1］。 為保持有機纖維在炭化過程中不熔融且不發生劇烈分解反應，通常在炭化前，需要對其進行預氧化處理［7-9］。 有機纖維經過炭化過程的熱處理后，增加了石墨微晶結構沿纖維軸向的擇優取向，進而提升了碳纖維強度性能［8，10-11］。 迄今，能夠工業化穩定、連續生產地碳纖維有：以聚丙烯腈為前驅體的聚丙烯腈基碳纖維、以中間相瀝青為前驅體的中間相瀝青基碳纖維和以各向同性瀝青為前驅體的各向同性瀝青基碳纖維［8，10-14］。 其中，聚丙烯腈基碳纖維和中間相瀝青基碳纖維具有優異的抗拉強度和楊氏模量，也被定義為高性能碳纖維（抗拉強度＞2 GPa；楊氏模量＞250 GPa）；而各向同性瀝青基碳纖維的抗拉強度和楊氏模量均較差（抗拉強度＜1.4 GPa；……