[其他]高强度、超高弹性模量碳纤维

说明书

本发明涉及碳纤维，特别是在航天、汽车、建筑业中作为轻质结构材料广泛使用的高强度、超高弹性模量的碳纤维。

在此以前，在碳纤维中，广泛制造和使用的是PAN（聚丙烯腈）系列碳纤维。在PAN系列碳纤维中，虽然有的具有5.6GPa的极高强度，但其弹性膜量为290GPa，不怎么高，即使最近开发的高弹性型PAN系列碳纤维，其弹性模量也仅为490GPa的。这是由于PAN系列碳纤维不易石墨化从而使结晶化（石墨化性质）的提高有一定限度，这就是难于达到超高弹性模量的根本原因。

另外，在沥青系列碳纤维中，有些在2800℃烧制的石墨纤维，其强度为1.7～2.4GPa，弹性模量为520～830GPa（U.S.P.4005183），且实际上强度为2.2GPa、弹性模量为830GPa的超高弹性产品正在被开发利用（Pure    &    Appl.Chem.Vol57，N.11，1553（1985））。

但是，从上述可知这种具有超高弹性模量的制品强度低，而没有开发出强度为2.5GPa以上的制品。由于这种沥青系列的超高弹性石墨纤维强度低，即延伸率低，所以加工困难，特别是在制造复合材料时，就会产生大问题。

本发明人为了得到兼具超高弹性模量和高强度的高性能碳纤维，进行了专心的研究，在研究过程中发现，如果碳纤维具有一种特殊的晶体结构，就可以得到高强度，超高弹性模量的碳纤维，本发明就是基于这种新的发现而完成的。

本发明的目的是提供一种兼具超高弹性模量和高强度的高性能碳纤维。

本发明的另一个目的是提供易于加工，特别是易于制造复合材料的高强度、超高弹性模量碳纤维。

用本发明的高强度、超高弹性模量碳纤维就可以达到本发明的目的，简述之，本发明描述一种高强度、超高弹性模量碳纤维，该碳纤维的特征在于表示三维有序的（122）十字晶格线的存在及（100），（101）衍射线的分离现象，并且层间距（d002）为3.371～3.40A，层厚（Lc002）为150～500最好为170～350，层尺寸（La110）为150～800最好为200～450。

本发明人在专心研究上述兼具高强度和超高弹性模量的高性能纤维的过程中，发现具有从来没有晶体结构特征的碳纤维可以兼具这两种性能。即，本发明人发现，具有表示结晶性良好且高规则结晶的三维有序构造，同时层间距（d002）比石墨纤维的层间距大，并且结晶尺寸适当的碳纤维。可以得到高强度和超高弹性模量。对于决定结晶的尺寸，层厚（Lc002）和层尺寸（La110）是重要的因素。还发现这些要素与上述层间距在适当范围内保持平衡是非常重要的。

下面对本发明的高强度、超高弹性模量碳纤维进行更为详细的说明。

众所周知，如碳纤维的结晶性好，则其弹性模量升高。用液晶沥青制作的结晶性极好的石墨纤维具有如上所述830GPa的超高弹性模量。但是，以前所有的碳纤维其强度都低于2.2GPa，这表明，仅仅结晶性好不可能得到兼聚高强度、超高弹性模量的高性能碳纤维。

本发明人仔细地研究了碳纤维的物性和其结构之间的关系，结果是要得到超高弹性模量，具有良好的结晶性是必要的。首先，必须具有作为结晶高规则性指标的三维有序结构，即表示三维有序的（112）十字晶格线以及（100）、（101）衍射线的分离现象的存在是基本的。进一步，要具有高强度，层间距要比石墨纤维的层间距大，并具有适当的数值，而且，结晶的尺寸最好是小而致密，但是，决定结晶大小的层厚（Lc002）和层尺寸（La110）和前述的层间距之间维持在一定的平衡状态是极为重要的。

也就是说，根据本发明人的研究结果，可以得知（1）层间距应为3.371～3.40，也就是要比石墨纤维的3.37以下的层间距（通常为3.36～3.37）为大，（2）层厚（Lc002）要为150～500，也就是要比石墨纤维的1000以上的层厚（Lc002）要小，（3）层尺寸（La110）要为150～800，也就是要比石墨纤维的1000以上的层尺寸（La110）要小。如果层间距（d002）、层厚（Lc002）及层尺寸（La110）在上述范围之外，即如果层间距（d002）大于3.40，层厚（Lc002）小于150，层尺寸（La110）小于150，则所得碳纤维的弹性模量会变坏。另一方面，如果在层间距（d002）小于3.371，层厚（Lc002）大于500，层尺寸（La110）大于800的情况下，则很难得到具有是够强度的碳纤维。