石墨纖維(graphite fibre)

通常把2000～3000℃的熱處理過程稱為石墨化。炭纖維在此溫度下處理所得的纖維稱為石墨纖維。

一般炭纖維的炭化溫度在1000～1500℃。熱處理到1000℃時其碳含量已達90％～92％，到1200～1500℃時碳含量可達95％左右。繼續(xù)升溫時，炭纖維中殘留的氮、氫等非碳原子進一步被脫除，非芳構化碳減少，六角碳網平面的環(huán)數(shù)增加，轉化為類似石墨層面的組織。隨著溫度的不斷上升，這些分布紊亂的石墨層面進一步靠攏(d002減小)，轉化為類似石墨的微晶狀態(tài)，微晶增大(La，Lc增大)，結晶態(tài)碳的比例增加，石墨層面沿纖維軸的取向度也增加。

石墨單晶的拉伸彈性模量高達1051GPa，炭纖維的拉伸彈性模量也隨著最高熱處理溫度和石墨化程度的升高而升高。但是其拉伸強度也將下降，這是因為在多晶材料中，晶界強度往往比晶粒內部強度小，所以初始裂紋大多存在于晶界處，且其在外力作用下擴展時，多沿晶界進行。石墨化溫度愈高，纖維中所含石墨微晶愈大，初始裂紋尺寸就愈大，纖維斷裂前裂紋擴展所走的路程就愈短，所做的斷裂功就愈小，即斷裂前所需儲備的彈性應變勢能也愈小，因此拉伸強度變小。此外石墨的蒸氣壓隨溫度升高而提高，在3000℃左右時可達103Pa，由于碳的蒸發(fā)使纖維表面缺陷增多，拉伸強度降低。這可在密閉容器中使用高純氬氣加壓石墨化的辦法來解決(氬氣在2000℃以上能與碳反應生成氰，故宜采用氬氣)。在進行石墨化的過程中，仍有5％左右的非碳原子進一步被排除，并以氣體逸出的方式進行，因此當升溫速率過大時，由于氣脹作用會造成新的裂紋，并使一部分閉氣孔變?yōu)殚_口氣孔，致使纖維的拉伸強度下降。

影響石墨纖維石墨化程度的主要因素除高溫熱處理條件(最高熱處理溫度和升溫速率)外，還有原料的石墨化難易程度。中間相瀝青基炭纖維比聚丙烯腈基炭纖維容易石墨化，故目前所生產的超高模量石墨纖維大部分是以中間相瀝青基炭纖維為原料的。石墨纖維的生產是將炭纖維在兩端敞口的臥式電阻爐中連續(xù)進行的，爐溫為2800～3000℃，其發(fā)熱體爐管多采用石墨材料做成，為了延長其壽命可在其內外壁涂以抗氧化的物質如ZrO2、TaO等，也可采用熱解炭涂層，爐管外圍有一石墨圓筒，作為隔熱屏，同時使爐管便于更換。石墨圓筒外的保溫材料一般為炭氈或炭黑。炭纖維絲束從一端進，從另一端出，出人口處均采用高純臟氣氣封。在充高純氬氣和爐子通電升溫前，需預先將爐子抽真空，盡可能將爐內殘留的氧氣除去。以免在高溫下，潛伏和吸附在保溫材料里的氧分子與炭纖維和石墨爐管發(fā)生氧化反應，造成絲束斷裂，縮短爐管壽命。

除連續(xù)石墨化方法外，還可采用間歇石墨化，方法是將炭纖維絲束排繞在石墨輥上，然后放入發(fā)熱體一石墨坩堝中，在立式密閉中頻感應爐中加熱，保溫材料采用炭黑，最高爐溫可達3200℃。問歇法與連續(xù)法相比，其優(yōu)點是氬氣消耗量小，并可以進行加壓石墨化和氣相摻雜石墨化，缺點是產量較小、質量均勻性較差。

石墨纖維已商品化，聚丙烯腈基石墨纖維如日本東麗公司生產的M60J，其拉伸模量高達590GPa，中間相瀝青基石墨纖維如美國聯(lián)合碳化物公司生產的P120其拉伸模量高達830GPa，拉伸強度為2.14GPa。