[其他]高強(qiáng)度、超高彈性模量碳纖維

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 88103233
• 申請(qǐng)日: 1988-05-30
• 公開（公告）號(hào): CN88103233A
• 公開（公告）日: 1988-12-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 日野隆;黑田博之;廣川薰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東亞燃料工業(yè)株式會(huì)社
• 主分類號(hào): C04B35/80
• 分類號(hào): C04B35/80
• 代理公司: 中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專利代理部
• 代理人: 孫令華

本發(fā)明涉及碳纖維，特別是在航天、汽車、建筑業(yè)中作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料廣泛使用的高強(qiáng)度、超高彈性模量的碳纖維。

在此以前，在碳纖維中，廣泛制造和使用的是PAN（聚丙烯腈）系列碳纖維。在PAN系列碳纖維中，雖然有的具有5.6GPa的極高強(qiáng)度，但其彈性膜量為290GPa，不怎么高，即使最近開發(fā)的高彈性型PAN系列碳纖維，其彈性模量也僅為490GPa的。這是由于PAN系列碳纖維不易石墨化從而使結(jié)晶化（石墨化性質(zhì)）的提高有一定限度，這就是難于達(dá)到超高彈性模量的根本原因。

另外，在瀝青系列碳纖維中，有些在2800℃燒制的石墨纖維，其強(qiáng)度為1.7～2.4GPa，彈性模量為520～830GPa（U.S.P.4005183），且實(shí)際上強(qiáng)度為2.2GPa、彈性模量為830GPa的超高彈性產(chǎn)品正在被開發(fā)利用（Pure????&????Appl.Chem.Vol57，N.11，1553（1985））。

但是，從上述可知這種具有超高彈性模量的制品強(qiáng)度低，而沒有開發(fā)出強(qiáng)度為2.5GPa以上的制品。由于這種瀝青系列的超高彈性石墨纖維強(qiáng)度低，即延伸率低，所以加工困難，特別是在制造復(fù)合材料時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大問題。

本發(fā)明人為了得到兼具超高彈性模量和高強(qiáng)度的高性能碳纖維，進(jìn)行了專心的研究，在研究過程中發(fā)現(xiàn)，如果碳纖維具有一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)，就可以得到高強(qiáng)度，超高彈性模量的碳纖維，本發(fā)明就是基于這種新的發(fā)現(xiàn)而完成的。

本發(fā)明的目的是提供一種兼具超高彈性模量和高強(qiáng)度的高性能碳纖維。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供易于加工，特別是易于制造復(fù)合材料的高強(qiáng)度、超高彈性模量碳纖維。

用本發(fā)明的高強(qiáng)度、超高彈性模量碳纖維就可以達(dá)到本發(fā)明的目的，簡(jiǎn)述之，本發(fā)明描述一種高強(qiáng)度、超高彈性模量碳纖維，該碳纖維的特征在于表示三維有序的（122）十字晶格線的存在及（100），（101）衍射線的分離現(xiàn)象，并且層間距（d002）為3.371～3.40A，層厚（Lc002）為150～500最好為170～350，層尺寸（La110）為150～800最好為200～450。

本發(fā)明人在專心研究上述兼具高強(qiáng)度和超高彈性模量的高性能纖維的過程中，發(fā)現(xiàn)具有從來沒有晶體結(jié)構(gòu)特征的碳纖維可以兼具這兩種性能。即，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，具有表示結(jié)晶性良好且高規(guī)則結(jié)晶的三維有序構(gòu)造，同時(shí)層間距（d002）比石墨纖維的層間距大，并且結(jié)晶尺寸適當(dāng)?shù)奶祭w維。可以得到高強(qiáng)度和超高彈性模量。對(duì)于決定結(jié)晶的尺寸，層厚（Lc002）和層尺寸（La110）是重要的因素。還發(fā)現(xiàn)這些要素與上述層間距在適當(dāng)范圍內(nèi)保持平衡是非常重要的。

下面對(duì)本發(fā)明的高強(qiáng)度、超高彈性模量碳纖維進(jìn)行更為詳細(xì)的說明。

眾所周知，如碳纖維的結(jié)晶性好，則其彈性模量升高。用液晶瀝青制作的結(jié)晶性極好的石墨纖維具有如上所述830GPa的超高彈性模量。但是，以前所有的碳纖維其強(qiáng)度都低于2.2GPa，這表明，僅僅結(jié)晶性好不可能得到兼聚高強(qiáng)度、超高彈性模量的高性能碳纖維。

本發(fā)明人仔細(xì)地研究了碳纖維的物性和其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，結(jié)果是要得到超高彈性模量，具有良好的結(jié)晶性是必要的。首先，必須具有作為結(jié)晶高規(guī)則性指標(biāo)的三維有序結(jié)構(gòu)，即表示三維有序的（112）十字晶格線以及（100）、（101）衍射線的分離現(xiàn)象的存在是基本的。進(jìn)一步，要具有高強(qiáng)度，層間距要比石墨纖維的層間距大，并具有適當(dāng)?shù)臄?shù)值，而且，結(jié)晶的尺寸最好是小而致密，但是，決定結(jié)晶大小的層厚（Lc002）和層尺寸（La110）和前述的層間距之間維持在一定的平衡狀態(tài)是極為重要的。

也就是說，根據(jù)本發(fā)明人的研究結(jié)果，可以得知（1）層間距應(yīng)為3.371～3.40，也就是要比石墨纖維的3.37以下的層間距（通常為3.36～3.37）為大，（2）層厚（Lc002）要為150～500，也就是要比石墨纖維的1000以上的層厚（Lc002）要小，（3）層尺寸（La110）要為150～800，也就是要比石墨纖維的1000以上的層尺寸（La110）要小。如果層間距（d002）、層厚（Lc002）及層尺寸（La110）在上述范圍之外，即如果層間距（d002）大于3.40，層厚（Lc002）小于150，層尺寸（La110）小于150，則所得碳纖維的彈性模量會(huì)變壞。另一方面，如果在層間距（d002）小于3.371，層厚（Lc002）大于500，層尺寸（La110）大于800的情況下，則很難得到具有是夠強(qiáng)度的碳纖維。