描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787122256560丛书名: 《新型炭材料》丛书
编辑推荐
本书为《新型炭材料》丛书中的一分册，作者结合了自己20年来的心得体会，力求以浅显的语言勾勒出碳纤维的结构性能特点和制备工艺，以碳纤维类石墨层片取向度、层间作用力和缺陷为主线，深入介绍了聚丙烯腈、沥青和黏胶基碳纤维的制备工艺与要求，旨在初学者和众多专著之间架设一座桥梁。内容上深入浅出，逻辑结构清晰，图文并茂，可读性强，适合广大炭纤维研究的科研、技术人员和师生参考学习。
内容简介
炭纤维是与石墨结构类似但强度高、重量轻的纤维材料，兼具耐高温、导热、导电等优良特性，广泛应用于航空航天、汽车、体育用品等领域，受到社会广泛关注。本书深入浅出地阐述了炭纤维的主要结构特征及其与力学性能的关系，从而明确了制备理想结构炭纤维的努力方向，即轴向高取向、断面多乱层、整体均匀少缺陷（孔隙和皮芯结构）。以此为主线，分别阐述了聚丙烯腈、中间相沥青和黏胶基炭纤维制备工艺过程中的科学问题和工程问题，本书编著目的在于能够为有志于了解和从事炭纤维的领导、学者和科研生产人员提供一个通向炭纤维自由王国的桥梁。
目 录
第1章绪论1
1.1炭纤维的性质、定义及分类1
1.2炭纤维的应用3
1.3炭纤维的制备5
参考文献5
第2章炭纤维的结构和性能7
2.1石墨的结构与性质7
2.2炭纤维的结构与力学性能模型8
2.2.1均匀应力模型9
2.2.2弹性解皱模型12
2.2.3均匀应变模型13
2.3炭纤维的结构性能表征13
2.3.1拉伸性能13
2.3.2炭纤维表面结构与性能18
2.3.3导热导电性能24
2.3.4微晶参数26
2.3.5缺陷28
2.4炭纤维复合材料力学性能32
2.4.1弯曲性能测试方法32
2.4.2压缩性能测试方法32
参考文献33
第3章聚丙烯腈炭纤维35
3.1目前国内外发展水平35
3.1.1国外发展水平35
3.1.2国内发展水平38
3.2制备工艺及成本构成分析40
3.2.1制备工艺40
3.2.2成本构成42
3.3聚合43
3.3.1科学问题43
3.3.2工程问题49
3.4纺丝55
3.4.1科学问题55
3.4.2工程问题71
3.5不熔化81
3.5.1科学问题81
3.5.2工程问题104
3.6炭化过程107
3.6.1科学问题107
3.6.2工程问题113
3.7石墨化过程116
3.7.1纤维物理化学结构的转变116
3.7.2石墨化工艺条件对纤维结构性能的影响121
3.7.3新的石墨化工艺研究125
3.8炭纤维表面性质及处理方法130
3.8.1炭纤维表面氧化131
3.8.2工程问题136
参考文献137
第4章中间相沥青基炭纤维143
4.1目前国内外发展水平143
4.1.1国外发展水平143
4.1.2国内发展水平147
4.2制备工艺概述147
4.3沥青原料149
4.3.1煤焦油与石油渣油的纯化与精制151
4.3.2各向同性沥青的制备152
4.3.3中间相沥青的制备156
4.4纺丝169
4.4.1连续牵伸法169
4.4.2喷吹法183
4.5不熔化185
4.5.1不熔化反应机理186
4.5.2不熔化反应对纤维结构性能的影响187
4.6炭化和石墨化192
4.6.1类石墨结构的形成与发展192
4.6.2畴结构与孔隙195
4.7沥青基炭纤维的结构与性能197
4.7.1结构与拉伸性能的关系197
4.7.2结构与抗氧化性能的关系199
参考文献200
第5章黏胶基炭纤维206
5.1目前国内外发展水平206
5.1.1国外发展水平206
5.1.2国内发展水平208
5.2制备工艺概述208
5.3黏胶纤维的制备208
5.3.1纤维素的制备209
5.3.2黏胶纤维的制备211
5.4黏胶炭纤维的制备222
5.4.1酸洗、水洗及催化剂浸渍222
5.4.2纤维素的裂解机理223
5.4.3黏胶纤维的前处理228
5.4.4炭化235
5.4.5石墨化236
5.4.6黏胶基炭纤维的结构237
5.5新型纤维素纤维制备工艺及炭化研究239
5.5.1Lyocell纤维240
5.5.2纤维素氨基甲酸酯纤维240
参考文献242
1.1炭纤维的性质、定义及分类1
1.2炭纤维的应用3
1.3炭纤维的制备5
参考文献5
第2章炭纤维的结构和性能7
2.1石墨的结构与性质7
2.2炭纤维的结构与力学性能模型8
2.2.1均匀应力模型9
2.2.2弹性解皱模型12
2.2.3均匀应变模型13
2.3炭纤维的结构性能表征13
2.3.1拉伸性能13
2.3.2炭纤维表面结构与性能18
2.3.3导热导电性能24
2.3.4微晶参数26
2.3.5缺陷28
2.4炭纤维复合材料力学性能32
2.4.1弯曲性能测试方法32
2.4.2压缩性能测试方法32
参考文献33
第3章聚丙烯腈炭纤维35
3.1目前国内外发展水平35
3.1.1国外发展水平35
3.1.2国内发展水平38
3.2制备工艺及成本构成分析40
3.2.1制备工艺40
3.2.2成本构成42
3.3聚合43
3.3.1科学问题43
3.3.2工程问题49
3.4纺丝55
3.4.1科学问题55
3.4.2工程问题71
3.5不熔化81
3.5.1科学问题81
3.5.2工程问题104
3.6炭化过程107
3.6.1科学问题107
3.6.2工程问题113
3.7石墨化过程116
3.7.1纤维物理化学结构的转变116
3.7.2石墨化工艺条件对纤维结构性能的影响121
3.7.3新的石墨化工艺研究125
3.8炭纤维表面性质及处理方法130
3.8.1炭纤维表面氧化131
3.8.2工程问题136
参考文献137
第4章中间相沥青基炭纤维143
4.1目前国内外发展水平143
4.1.1国外发展水平143
4.1.2国内发展水平147
4.2制备工艺概述147
4.3沥青原料149
4.3.1煤焦油与石油渣油的纯化与精制151
4.3.2各向同性沥青的制备152
4.3.3中间相沥青的制备156
4.4纺丝169
4.4.1连续牵伸法169
4.4.2喷吹法183
4.5不熔化185
4.5.1不熔化反应机理186
4.5.2不熔化反应对纤维结构性能的影响187
4.6炭化和石墨化192
4.6.1类石墨结构的形成与发展192
4.6.2畴结构与孔隙195
4.7沥青基炭纤维的结构与性能197
4.7.1结构与拉伸性能的关系197
4.7.2结构与抗氧化性能的关系199
参考文献200
第5章黏胶基炭纤维206
5.1目前国内外发展水平206
5.1.1国外发展水平206
5.1.2国内发展水平208
5.2制备工艺概述208
5.3黏胶纤维的制备208
5.3.1纤维素的制备209
5.3.2黏胶纤维的制备211
5.4黏胶炭纤维的制备222
5.4.1酸洗、水洗及催化剂浸渍222
5.4.2纤维素的裂解机理223
5.4.3黏胶纤维的前处理228
5.4.4炭化235
5.4.5石墨化236
5.4.6黏胶基炭纤维的结构237
5.5新型纤维素纤维制备工艺及炭化研究239
5.5.1Lyocell纤维240
5.5.2纤维素氨基甲酸酯纤维240
参考文献242
前 言
炭纤维是经1000℃以上的高温烧制而成的、含碳量在90％以上的纤维材料，其相对密度只有钢的1/4，拉伸强度是高性能钢的4倍，导电性能是铝的1/10,热导率是银的两倍以上，在惰性气氛下可以耐受3000℃以上的高温。
炭纤维是随着人类渴望光明和飞天梦想发展而来的，早的炭纤维可追溯到19世纪60年代爱迪生用棉线制备白炽灯的灯丝开始，而后在航空航天的需求下逐渐发展成为高性能的结构材料。炭纤维根据原料可分为聚丙烯腈炭纤维、沥青基炭纤维和黏胶基炭纤维。高分子纤维经过高温烧制后,变成一种径向犬牙交错而轴向具有取向度的类石墨结构，其性能取决于原丝及热处理条件。
由于炭纤维具有独特的结构和性能，成为航空航天及国防领域的关键材料和民用高科技领域备受青睐的材料。从火箭、导弹的鼻锥、壳体、喉衬，卫星的支撑板，到飞机的起落架、刹车盘，再到风力发电、汽车、体育用品的结构材料，都逐渐采用了炭纤维复合材料。随着炭纤维制备技术的发展和成本的降低，炭纤维将越来越受到工业和民用产品的青睐。
近年来，东华大学先后承担了国家自然科学基金重点项目、“973”项目、“863”项目、国防科工委和重装备部等多项炭纤维研究任务。从纤维制备和结构转化的机理出发，对炭纤维原丝成形及炭化过程进行了深入研究，攻克了大量的技术瓶颈，产品和研究成果分别应用于国家战略导弹、中复神鹰及江苏恒神等大型炭纤维企业生产线，为国家安全和国内炭纤维领域的发展做出了杰出贡献。这些研究、开发为本书的撰写提供了诸多原创性素材。
关于炭纤维制备的专业书籍已经有很多，包括贺福先生撰写的《碳纤维及其应用技术》、《碳纤维及石墨纤维》，王成国和朱波教授撰写的《聚丙烯腈基碳纤维》，Donnet等撰写的《CARBON FIBERS》，Morgan撰写的《CARBON FIBERS AND THEIR COMPOSITES》等，都是炭纤维行业的经典著作，成为炭纤维工作者重要的技术宝藏。本书作为《新型炭材料》丛书中的一册，结合作者二十年来的心得体会，力求以浅显的语言勾勒出炭纤维的结构性能特点和制备工艺，以炭纤维类石墨层片取向度、层间作用力和缺陷为主线，理解聚丙烯腈、沥青和黏胶基炭纤维的制备工艺与要求，希望在初学者和众多专著之间架设一座桥梁，尽快领会炭纤维制备过程中的要旨，为技术沟通和深入研究做准备。
在本书撰写过程中，本课题组博士生孙颖、蒋俊祺，硕士生胡蕾阳、孙视林、徐斌、王菁、李红、郭潇野对本书进行了图表的绘制与编辑和全文的校对，潘鼎、吴琪琳、曾凡龙、陈慧芳等老师对本书的部分内容提出了很好的建议，同时还得到了学校、学院领导和朋友的鼓励与帮助，在此表示衷心感谢。
由于时间和水平有限，书中难免有不妥之处，恳请广大读者和同行专家批评指正。
炭纤维是随着人类渴望光明和飞天梦想发展而来的，早的炭纤维可追溯到19世纪60年代爱迪生用棉线制备白炽灯的灯丝开始，而后在航空航天的需求下逐渐发展成为高性能的结构材料。炭纤维根据原料可分为聚丙烯腈炭纤维、沥青基炭纤维和黏胶基炭纤维。高分子纤维经过高温烧制后,变成一种径向犬牙交错而轴向具有取向度的类石墨结构，其性能取决于原丝及热处理条件。
由于炭纤维具有独特的结构和性能，成为航空航天及国防领域的关键材料和民用高科技领域备受青睐的材料。从火箭、导弹的鼻锥、壳体、喉衬，卫星的支撑板，到飞机的起落架、刹车盘，再到风力发电、汽车、体育用品的结构材料，都逐渐采用了炭纤维复合材料。随着炭纤维制备技术的发展和成本的降低，炭纤维将越来越受到工业和民用产品的青睐。
近年来，东华大学先后承担了国家自然科学基金重点项目、“973”项目、“863”项目、国防科工委和重装备部等多项炭纤维研究任务。从纤维制备和结构转化的机理出发，对炭纤维原丝成形及炭化过程进行了深入研究，攻克了大量的技术瓶颈，产品和研究成果分别应用于国家战略导弹、中复神鹰及江苏恒神等大型炭纤维企业生产线，为国家安全和国内炭纤维领域的发展做出了杰出贡献。这些研究、开发为本书的撰写提供了诸多原创性素材。
关于炭纤维制备的专业书籍已经有很多，包括贺福先生撰写的《碳纤维及其应用技术》、《碳纤维及石墨纤维》，王成国和朱波教授撰写的《聚丙烯腈基碳纤维》，Donnet等撰写的《CARBON FIBERS》，Morgan撰写的《CARBON FIBERS AND THEIR COMPOSITES》等，都是炭纤维行业的经典著作，成为炭纤维工作者重要的技术宝藏。本书作为《新型炭材料》丛书中的一册，结合作者二十年来的心得体会，力求以浅显的语言勾勒出炭纤维的结构性能特点和制备工艺，以炭纤维类石墨层片取向度、层间作用力和缺陷为主线，理解聚丙烯腈、沥青和黏胶基炭纤维的制备工艺与要求，希望在初学者和众多专著之间架设一座桥梁，尽快领会炭纤维制备过程中的要旨，为技术沟通和深入研究做准备。
在本书撰写过程中，本课题组博士生孙颖、蒋俊祺，硕士生胡蕾阳、孙视林、徐斌、王菁、李红、郭潇野对本书进行了图表的绘制与编辑和全文的校对，潘鼎、吴琪琳、曾凡龙、陈慧芳等老师对本书的部分内容提出了很好的建议，同时还得到了学校、学院领导和朋友的鼓励与帮助，在此表示衷心感谢。
由于时间和水平有限，书中难免有不妥之处，恳请广大读者和同行专家批评指正。
编著者
2015年10月
书摘插画
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