为什么沥青基碳纤维的拉伸强度比PAN基碳纤维低？
沥青基碳纤维是沥青基碳材料的一个重要分支，是利用纺丝沥青经过一系列处理得到的一种碳纤维，其发展历史已经超过50年。最近几年我国对沥青基碳纤维的投入有复苏的趋势，国内很多机构都做了大量的研究。沥青基碳纤维按性能分主要分为通用级碳纤维和高性能沥青基碳纤维。对沥青基碳纤维稍有了解的人，都知道其拉伸强度相对PAN基（聚丙烯腈基）而言比较低，最高规格的商业化产品，仅仅相当于PAN基的T300水平，这是为什么呢？主要概括为两个原因，分子结构和纤维直径。
分子结构
结构决定材料的性能，对于碳纤维的拉伸性能取决于其本身类石墨层结构规整性、相互作用力及其沿纤维轴向的取向度等因素。PAN基碳纤维形成于线性高分子，分子量比较大分子间的作用力比较强，并在1400℃时达到最大，此时强度最高。同时因为是线性高分子，石墨化相对比较难，取向度比较低，所以模量相对较低。而高性能沥青基碳纤维是中间相沥青制备而来，沥青分子本身就是平面结构，在纺丝时极易形成轴向取向结构，石墨化比较容易，石墨晶体较大，所以模量相对较高。但是石墨层间的作用力比较小，就导致了拉伸强度比PAN基碳纤维低。在高温处理过程中，石墨层间的作用力变化较小，纤维强度及模量主要受纤维取向度以及微晶大小决定，所以沥青基碳纤维的强度和模量随热处理温度的升高同时升高。综上所述沥青纤维强度相对PAN基碳纤维偏低，主要是因为中间相沥青分子和聚丙烯腈的分子结构决定的。
纤维直径
我们都知道，碳纤维的直径越小其强度越高，主要是因为，直径越小，其单位面积内的缺陷越少。例如PAN基T300的直径为7um，而T800以上规格则为5um。目前商业化的沥青基
碳纤维的直径大部分在10um及以上，只有日本石墨纤维公司具有直径7um的商业化产品这也是目前世界上拉伸强度最高的沥青基碳纤维产品。但为什么大家不生产更细的纤维，至少要和PAN基对标，其性能应该能上升不少。这是因为沥青纤维比较脆，在纺丝阶段就要确定其直径，后续不能通过牵伸工艺完成纤维细化。但是通过熔融纺丝很难大规模的纺低于10um的纤维，7um的纤维目前也只有日本石墨纤维公司可以生产。纺丝难度决定了其纤维直径不能像PAN基碳纤维一样，所以强度只能损失了。
常见碳纤维型号性能
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类型 |
型号 |
强度Mpa |
模量GPa |
直径um |
断裂伸长% |
密度g/cm3 |
|
沥青基 |
P120 |
2400 |
830 |
10 |
0.5 |
2.13 |
|
K13C2U |
3800 |
900 |
10 |
0.4 |
2.2 |
|
|
YSH-50 |
3830 |
520 |
7 |
0.7 |
2.1 |
|
|
Xn-90 |
3430 |
860 |
10 |
0.4 |
2.19 |
|
|
PAN基 |
T300 |
3530 |
230 |
7 |
1.5 |
1.76 |
|
T700 |
4900 |
240 |
7 |
2.0 |
1.8 |
|
|
T800 |
5490 |
294 |
5 |
1.9 |
1.81 |
|
|
T1000 |
6370 |
294 |
5 |
2.2 |
1.80 |
|
|
M40 |
4400 |
377 |
7 |
0.7 |
1.81 |
|
|
M60 |
3920 |
588 |
5 |
0.7 |
1.93 |