本實(shí)用新型涉及機(jī)車設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種玻璃結(jié)構(gòu)及具有其的列車。
背景技術(shù)：
目前，軌道車輛上采用的玻璃主要為中空玻璃、夾層玻璃或多層復(fù)合玻璃等，中空玻璃隔熱性能較好，隔音性能不高，且玻璃破碎后，存在碎片飛濺傷人的隱患?，F(xiàn)有技術(shù)中，中空玻璃由于中空層存在，玻璃厚度偏高。夾層玻璃在玻璃破碎后，碎片粘在中間的PVB膜上，消除了傷人的隱患，但夾層玻璃隔熱性能偏低，隔音性能也不高。采用多層復(fù)合玻璃，雖然具有較高的隔音、安全等綜合性能，但是由于采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的玻璃，使得玻璃厚度偏高，且重量偏大。無論采用上述中的哪種玻璃，列車在戶外長時間運(yùn)行，軌道車窗玻璃均存在外表面臟污，污漬長期累積以至于難以清潔，而且現(xiàn)有技術(shù)中的列車車窗玻璃不能很好的保護(hù)好個人隱私等問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型的主要目的在于提供一種玻璃結(jié)構(gòu)及具有其的列車，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的車窗玻璃難以清潔的問題。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本實(shí)用新型的一個方面，提供了一種玻璃結(jié)構(gòu)，包括：外層玻璃和內(nèi)層玻璃，外層玻璃與內(nèi)層玻璃相對設(shè)置，外層玻璃與內(nèi)層玻璃之間具有距離地設(shè)置；密封條，外層玻璃與內(nèi)層玻璃通過密封條相連接，密封條與外層玻璃和內(nèi)層玻璃之間形成中空結(jié)構(gòu)，外層玻璃的外表面上設(shè)置有自清潔材料層。
進(jìn)一步地，外層玻璃包括：第一聚碳酸酯板，第一聚碳酸酯板與內(nèi)層玻璃相對設(shè)置，自清潔材料層設(shè)置于第一聚碳酸酯板的外表面上。
進(jìn)一步地，外層玻璃還包括：PVB膜層，PVB膜層的一個表面與第一聚碳酸酯板的內(nèi)表面相連接，第二聚碳酸酯板，PVB膜層的另一個表面與第二聚碳酸酯板相連接，第二聚碳酸酯板通過密封條與外層玻璃相連接。
進(jìn)一步地，外層玻璃還包括：PU膜層，PU膜層的一個表面與第一聚碳酸酯板的內(nèi)表面相連接，第二聚碳酸酯板，PU膜層的另一個表面與第二聚碳酸酯板相連接，第二聚碳酸酯板通過密封條與外層玻璃相連接。
進(jìn)一步地，第一聚碳酸酯板和/或第二聚碳酸酯板的表面上設(shè)置有納米陶瓷膜。
進(jìn)一步地，中空結(jié)構(gòu)內(nèi)用于容納空氣或氬氣。
進(jìn)一步地，內(nèi)層玻璃包括：單向透視膜層，單向透視膜層設(shè)置于內(nèi)層玻璃的內(nèi)表面或外表面上。
進(jìn)一步地，內(nèi)層玻璃的厚度為L，其中，3.5mm≤L≤4.5mm。
進(jìn)一步地，自清潔材料層為銳鈦礦型二氧化鈦材料層。
根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面，提供了一種列車，包括玻璃結(jié)構(gòu)，玻璃結(jié)構(gòu)為上述的玻璃結(jié)構(gòu)。
應(yīng)用本實(shí)用新型的技術(shù)方案，玻璃結(jié)構(gòu)包括外層玻璃、內(nèi)層玻璃和密封條。外層玻璃與內(nèi)層玻璃相對設(shè)置，外層玻璃與內(nèi)層玻璃之間具有距離地設(shè)置。外層玻璃與內(nèi)層玻璃通過密封條相連接，密封條與外層玻璃和內(nèi)層玻璃之間形成中空結(jié)構(gòu)。外層玻璃的外表面上設(shè)置有自清潔材料層。使得該玻璃結(jié)構(gòu)具有自清潔功能，降低了玻璃的清潔難度。
附圖說明
構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。在附圖中：
圖1示出了根據(jù)本實(shí)用新型的玻璃結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，上述附圖包括以下附圖標(biāo)記：
10、外層玻璃；11、第一聚碳酸酯板；12、第二聚碳酸酯板；20、內(nèi)層玻璃；30、密封條；40、中空結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本實(shí)用新型。
需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
需要說明的是，本申請的說明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的術(shù)語“第一”、“第二”等是用于區(qū)別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應(yīng)該理解這樣使用的術(shù)語在適當(dāng)情況下可以互換，以便這里描述的本申請的實(shí)施方式例如能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序?qū)嵤?。此外，術(shù)語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或?qū)τ谶@些過程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備固有的其它步驟或單元。
為了便于描述，在這里可以使用空間相對術(shù)語，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用來描述如在圖中所示的一個器件或特征與其他器件或特征的空間位置關(guān)系。應(yīng)當(dāng)理解的是，空間相對術(shù)語旨在包含除了器件在圖中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附圖中的器件被倒置，則描述為“在其他器件或構(gòu)造上方”或“在其他器件或構(gòu)造之上”的器件之后將被定位為“在其他器件或構(gòu)造下方”或“在其他器件或構(gòu)造之下”。因而，示例性術(shù)語“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”兩種方位。該器件也可以其他不同方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或處于其他方位)，并且對這里所使用的空間相對描述作出相應(yīng)解釋。
現(xiàn)在，將參照附圖更詳細(xì)地描述根據(jù)本申請的示例性實(shí)施方式。然而，這些示例性實(shí)施方式可以由多種不同的形式來實(shí)施，并且不應(yīng)當(dāng)被解釋為只限于這里所闡述的實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解的是，提供這些實(shí)施方式是為了使得本申請的公開徹底且完整，并且將這些示例性實(shí)施方式的構(gòu)思充分傳達(dá)給本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在附圖中，為了清楚起見，有可能擴(kuò)大了層和區(qū)域的厚度，并且使用相同的附圖標(biāo)記表示相同的器件，因而將省略對它們的描述。
結(jié)合圖1所示，根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，提供了一種玻璃結(jié)構(gòu)。
具體地，玻璃結(jié)構(gòu)包括外層玻璃10、內(nèi)層玻璃20和密封條30。外層玻璃10與內(nèi)層玻璃20相對設(shè)置，外層玻璃10與內(nèi)層玻璃20之間具有距離地設(shè)置。外層玻璃10與內(nèi)層玻璃20通過密封條30相連接，密封條30與外層玻璃10和內(nèi)層玻璃20之間形成中空結(jié)構(gòu)40。
在本實(shí)施例中，外層玻璃10的外表面上設(shè)置有自清潔材料層。使得該玻璃結(jié)構(gòu)具有自清潔功能，降低了玻璃的清潔難度，同時減少了定期清潔玻璃表面的工作量，也節(jié)省了日益匱乏的水資源。
其中，外層玻璃10包括第一聚碳酸酯板11，第一聚碳酸酯板11與內(nèi)層玻璃20相對設(shè)置，自清潔材料層設(shè)置于第一聚碳酸酯板11的外表面上。外層玻璃10采用第一聚碳酸酯板11能夠有效地減小外層玻璃10的厚度，使得外層玻璃10具有更好的隔音、隔熱性能。
外層玻璃10還包括PVB膜層和第二聚碳酸酯板12。PVB膜層的一個表面與第一聚碳酸酯板11的內(nèi)表面相連接，PVB膜層的另一個表面與第二聚碳酸酯板12相連接，第二聚碳酸酯板12通過密封條30與外層玻璃10相連接。這樣設(shè)置能夠使得外層玻璃10的節(jié)能效果更佳，能抵抗99％以上的紫外線，可提高乘客舒適度，能夠有效地延緩車內(nèi)設(shè)備的老化。
當(dāng)然，外層玻璃10也可以用PU膜層和第二聚碳酸酯板12制成。PU膜層的一個表面與第一聚碳酸酯板11的內(nèi)表面相連接，PU膜層的另一個表面與第二聚碳酸酯板12相連接，第二聚碳酸酯板12通過密封條30與外層玻璃10相連接。這樣設(shè)置同樣取到使得外層玻璃10的節(jié)能效果更佳，能抵抗99％以上的紫外線，可提高乘客舒適度，能夠有效地延緩車內(nèi)設(shè)備的老化的效果，采用聚碳酸酯板還具有輕量化等特點(diǎn)，使得該玻璃結(jié)構(gòu)抗沖擊性能更佳。
為了能夠顯著地降低玻璃結(jié)構(gòu)的遮蔽系數(shù)，提高復(fù)合玻璃的節(jié)能效果，在第一聚碳酸酯板11和第二聚碳酸酯板12的表面上設(shè)置有納米陶瓷膜。當(dāng)然，也可以只在其中一個聚碳酸酯板上設(shè)置納米陶瓷膜。
為了提高玻璃結(jié)構(gòu)的隔熱性能，在中空結(jié)構(gòu)40內(nèi)充入容納空氣或氬氣。
為了能夠更好的保護(hù)乘客的隱私，內(nèi)層玻璃20包括單向透視膜層，單向透視膜層設(shè)置于內(nèi)層玻璃20的內(nèi)表面或外表面上。
優(yōu)選地，內(nèi)層玻璃20的厚度為L，其中，3.5mm≤L≤4.5mm。這樣能夠有效地降低玻璃結(jié)構(gòu)的厚度繼而從整體上減輕了列車的重量，使得列車能夠達(dá)到輕量化的標(biāo)準(zhǔn)，其中，內(nèi)層玻璃20的厚度優(yōu)選為4mm。
采用等離子鍍膜技術(shù)將疏水型自清潔納米材料鍍在聚碳酸酯板外表面，使得玻璃結(jié)構(gòu)的外表面與水的接觸角θ大于120度，即該復(fù)合玻璃結(jié)構(gòu)具有很好的疏水性能。其中，自清潔材料層可以為銳鈦礦型二氧化鈦材料層。自清潔材料層可以是一層也可以是多層。
上述實(shí)施例中的玻璃結(jié)構(gòu)可以用于列車設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，即根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面，提供了一種列車。該列車包括玻璃結(jié)構(gòu)，玻璃結(jié)構(gòu)為上述實(shí)施例中的玻璃結(jié)構(gòu)。玻璃結(jié)構(gòu)包括外層玻璃10、內(nèi)層玻璃20和密封條30。外層玻璃10與內(nèi)層玻璃20相對設(shè)置，外層玻璃10與內(nèi)層玻璃20之間具有距離地設(shè)置。外層玻璃10與內(nèi)層玻璃20通過密封條30相連接，密封條30與外層玻璃10和內(nèi)層玻璃20之間形成中空結(jié)構(gòu)40。外層玻璃10的外表面上設(shè)置有自清潔材料層。使得該玻璃結(jié)構(gòu)具有自清潔功能，降低了玻璃的清潔難度。
在本實(shí)施例中，采用PVB膜或PU膜，具有輕量化、很好的隔音性能。聚碳酸酯板內(nèi)表面鍍納米陶瓷膜，可顯著降低玻璃的遮蔽系數(shù)，提高復(fù)合玻璃的節(jié)能效果。層玻璃外表面鍍LOW-E膜，可顯著提高復(fù)合玻璃的隔熱性能。內(nèi)層玻璃內(nèi)、外表面可選擇一面鍍單向透視膜，使復(fù)合玻璃具有單向透視功能，更方便保護(hù)乘客的隱私。該玻璃結(jié)構(gòu)具有自清潔、單向透視等功能，在隔音、隔熱、強(qiáng)度、防紫外線、防紅外線、節(jié)能、抗沖擊等多方面性能均要優(yōu)于普通中空玻璃和夾層玻璃。
碳纖維(carbon fiber，簡稱CF)，是一種含碳量在95％以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。
碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。
碳纖維與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱夫拉纖維相比，楊氏模量是其2倍左右，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。
碳纖維是含碳量高于90％的無機(jī)高分子纖維。其中含碳量高于99％的稱石墨纖維。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A，各平行層面間的各個碳原子，排列不如石墨那樣規(guī)整，層與層之間借范德華力連接在一起。
通常也把碳纖維的結(jié)構(gòu)看成由兩維有序的結(jié)晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。
當(dāng)孔隙率低于某個臨界值時，孔隙率對碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度無明顯的影響。有些研究指出，引起材料力學(xué)性能下降的臨界孔隙率是1％-4％?？紫扼w積含量在0-4％范圍內(nèi)時，孔隙體積含量每增加1％，層間剪切強(qiáng)度大約降低7％。通過對碳纖維環(huán)氧樹脂和碳纖維雙馬來亞胺樹脂層壓板的研究看出，當(dāng)孔隙率超過0.9％時，層間剪切強(qiáng)度開始下降。由試驗(yàn)得知，孔隙主要分布在纖維束之間和層間界面處。并且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，并顯著降低了層合板中層間界面的面積。當(dāng)材料受力時，易沿層間破壞，這也是層間剪切強(qiáng)度對孔隙相對敏感的原因。另外孔隙處是應(yīng)力集中區(qū)，承載能力弱，當(dāng)受力時，孔隙擴(kuò)大形成長裂紋，從而遭到破壞。
即使兩種具有相同孔隙率的層壓板(在同一養(yǎng)護(hù)周期運(yùn)用不同的預(yù)浸方法和制造方式)，它們也表現(xiàn)處完全不同的力學(xué)行為。力學(xué)性能隨孔隙率的增加而下降的具體數(shù)值不同，表現(xiàn)為孔隙率對力學(xué)性能的影響離散性大且重復(fù)性差。由于包含大量可變因素，孔隙對復(fù)合材料層壓板力學(xué)性能的影響是個很復(fù)雜的問題。這些因素包含：孔隙的形狀、尺寸、位置；纖維、基體和界面的力學(xué)性能；靜態(tài)或者動態(tài)的荷載。
相對于孔隙率和孔隙長寬比，孔隙尺寸、分布對力學(xué)性能的影響更大些。并發(fā)現(xiàn)大的孔隙(面積>0.03mm2)對力學(xué)性能有不利影響，這歸因于孔隙對層間富膠區(qū)的裂紋擴(kuò)展的產(chǎn)生影響。
碳纖維兼具碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，碳纖維是一種的力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。碳纖維拉伸強(qiáng)度約為2到7GPa，拉伸模量約為200到700GPa。密度約為1.5到2.0克每立方厘米，這除與原絲結(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要決定于炭化處理的溫度。一般經(jīng)過高溫3000℃石墨化處理，密度可達(dá)2.0克每立方厘。再加上它的重量很輕，它的比重比鋁還要輕，不到鋼的1/4，比強(qiáng)度是鐵的20倍。碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其它纖維不同，它有各向異性的特點(diǎn)。碳纖維的比熱容一般為7.12。熱導(dǎo)率隨溫度升高而下降平行于纖維方向是負(fù)值(0.72到0.90)，而垂直于纖維方向是正值(32到22)。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關(guān)，在25℃時，高模量為775，高強(qiáng)度碳纖維為每厘米1500。這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和比模量。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有強(qiáng)度大、模量高、密度低、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，可以稱為新材料之王。
碳纖維除了具有一般碳素材料的特性外，其外形有顯著的各向異性柔軟，可加工成各種織物，又由于比重小，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500兆帕以上，是鋼的7到9倍，抗拉彈性模量為230到430G帕亦高于鋼；因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000兆帕以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59兆帕左右，其比模量也比鋼高。與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，楊氏模量(指表征在彈性限度內(nèi)物質(zhì)材料抗拉或抗壓的物理量)是玻璃纖維的3倍多；與凱芙拉纖維相比，不僅楊氏模量是其的2倍左右。碳纖維環(huán)氧樹脂層壓板的試驗(yàn)表明，隨著孔隙率的增加，強(qiáng)度和模量均下降?？紫堵蕦娱g剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量的影響非常大；拉伸強(qiáng)度隨著孔隙率的增加下降的相對慢一些；拉伸模量受孔隙率影響較小。
碳纖維還具有極好的纖度(纖度的表示法之一是9000米長纖維的克數(shù))，一般僅約為19克，拉力高達(dá)300kg每微米。幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多一系列的優(yōu)異性能，因此在旨度、剛度、重度、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。在不接觸空氣和氧化劑時，碳纖維能夠耐受3000度以上的高溫，具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高于1500℃時強(qiáng)度才開始下降，而且溫度越高，纖維強(qiáng)度越大。碳纖維的徑向強(qiáng)度不如軸向強(qiáng)度，因而碳纖維忌徑向強(qiáng)力(即不能打結(jié))而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。
碳纖維的化學(xué)性質(zhì)與碳相識，它除能被強(qiáng)氧化劑氧化外，對一般堿性是惰性的。在空氣中溫度高于400℃時則出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO與CO2。碳纖維對一般的有機(jī)溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，不溶不脹，耐蝕性出類拔萃，完全不存在生銹的問題。有學(xué)者在1981年將PAN基碳纖維浸泡在強(qiáng)堿氫氧化鈉溶液中，時間已過去30多年，它仍保持纖維形態(tài)。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強(qiáng)酸作用下發(fā)生氧化，碳纖維的電動勢為正值，而鋁合金的電動勢為負(fù)值。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與與鋁合金組合應(yīng)用時會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此，碳纖維在使用前須進(jìn)行表面處理。碳纖維還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。
碳纖維按原料來源可分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維；按性能可分為通用型、高強(qiáng)型、中模高強(qiáng)型、高模型和超高模型碳纖維；按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000兆帕、模量為100G帕左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型(強(qiáng)度2000兆帕、模量250G帕)和高模型(模量300G帕以上)。強(qiáng)度大于4000兆帕的又稱為超高強(qiáng)型；模量大于450G帕的稱為超高模型。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)高伸型碳纖維，其延伸率大于2％。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。市場上90％以上碳纖維以PAN基碳纖維為主。由于碳纖維神秘的面紗尚未完全揭開，人們還不能直接用碳或石墨來制取，只能采用一些含碳的有機(jī)纖維(如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等)為原料，將有機(jī)纖維與塑料樹脂結(jié)合在一起炭化制得碳纖維。PAN基碳纖維的生產(chǎn)工藝主要包括原絲生產(chǎn)和原絲碳化兩個過程:首先通過丙烯腈聚合和紡紗等一系列工藝加工成被稱為“母體“的聚丙烯腈纖維或原絲，將這些原絲放入氧化爐中在200到300℃進(jìn)行氧化，還要在碳化爐中，在溫度為1000到2000℃下進(jìn)行碳化等工序制成碳纖維。
美國實(shí)用新型了紡織瀝青基碳纖維用的含有基金屬中間相瀝青，原絲經(jīng)穩(wěn)定化和碳化后，碳纖維的拉伸強(qiáng)度為3.5G帕，模量為252G帕；法國研制了耐熱和高導(dǎo)電的中間相瀝青基碳纖維；波蘭開發(fā)了新型金屬涂覆碳纖維的方法，例如涂覆銅的瀝青基碳纖維是用混合法制成，先用銅鹽與各向同性煤瀝青混勻，進(jìn)行離心紡絲，在空氣中穩(wěn)定化并在高溫氫氣中處理，得到合金銅的碳纖維。世界瀝青基碳纖維的生產(chǎn)能力較小，國內(nèi)瀝青基碳纖維的研究和開發(fā)較早，但在開發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用方面與國外相比有較大的差距。
碳纖維按產(chǎn)品規(guī)格的不同被劃分為宇航級和工業(yè)級兩類，亦稱為小絲束和大絲束。通常把48K以上碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括360K和480K等。宇航級碳纖維初期以3K為主，逐漸發(fā)展為12K和24K，主要應(yīng)用于國防軍工和高技術(shù)，以及體育休閑用品，像飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星和釣魚桿、球桿球拍等。工業(yè)級碳纖維應(yīng)用于不同民用工業(yè)，包括：紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機(jī)電、土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等。
工業(yè)化生產(chǎn)碳纖維按原料路線可分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，但主要生產(chǎn)前兩種碳纖維。由粘膠纖維制取高力學(xué)性能的碳纖維必須經(jīng)高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術(shù)難度大，設(shè)備復(fù)雜，原料豐富碳化收率高，但因原料調(diào)制復(fù)雜、產(chǎn)品性能較低，亦未得到大規(guī)模發(fā)展；由聚丙烯腈纖維原絲制得的高性能碳纖維，其生產(chǎn)工藝較其他方法簡單，產(chǎn)量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90％以上。
碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得。應(yīng)用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。碳纖維的制造包括纖維紡絲、熱穩(wěn)定化(預(yù)氧化)、碳化、石墨化等4個過程。其間伴隨的化學(xué)變化包括，脫氫、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等。
從粘膠纖維制取高力學(xué)性能的碳纖維必須經(jīng)高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術(shù)難度大、設(shè)備復(fù)雜，產(chǎn)品主要為耐燒蝕材料及隔熱材料所用；由瀝青制取碳纖維，原料來源豐富，碳化收率高，但因原料調(diào)制復(fù)雜、產(chǎn)品性能較低，亦未得到大規(guī)模發(fā)展；由聚丙烯腈纖維原絲可制得高性能的碳纖維，其生產(chǎn)工藝較其它方法簡單力學(xué)性能優(yōu)良，自20世紀(jì)60年代后在碳纖維工業(yè)發(fā)展良好。
有關(guān)PAN基碳纖維的制備：
聚丙烯腈碳纖維是以聚丙烯腈纖維為原料制成的碳纖維，主要作復(fù)合材料用增強(qiáng)體。無論均聚或共聚的聚丙烯腈纖維都能制備出碳纖維。為了制造出高性能碳纖維并提高生產(chǎn)率，工業(yè)上常采用共聚聚丙烯腈纖維為原料。對原料的要求是：雜質(zhì)、缺陷少；細(xì)度均勻，并越細(xì)越好；強(qiáng)度高，毛絲少；纖維中鏈狀分子沿纖維軸取向度越高越好，通常大于80％；熱轉(zhuǎn)化性能好。
生產(chǎn)中制取聚丙烯腈纖維的過程是：先由丙烯腈和其他少量第二、第三單體(丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等)共聚生成共聚聚丙烯腈樹脂(分子量高于6到8萬)，然后樹脂經(jīng)溶劑(硫氰酸鈉、二甲基亞礬、硝酸和氯化鋅等)溶解，形成粘度適宜的紡絲液，經(jīng)濕法、干法或干濕法進(jìn)行紡絲，再經(jīng)水洗、牽伸、干燥和熱定型即制成聚丙烯腈纖維。若將聚丙烯腈纖維直接加熱易熔化，不能保持其原來的纖維狀態(tài)。制備碳纖維時，首先要將聚丙烯腈纖維放在空氣中或其他氧化性氣氛中進(jìn)行低溫?zé)崽幚恚搭A(yù)氧化處理。預(yù)氧化處理是纖維碳化的預(yù)備階段。一般將纖維在空氣下加熱至約270℃，保溫0.5h到3h，聚丙烯腈纖維的顏色由白色逐漸變成黃色、棕色，最后形成黑色的預(yù)氧化纖維。是聚丙烯腈線性高分子受熱氧化后，發(fā)生氧化、熱解、交聯(lián)、環(huán)化等一系列化學(xué)反應(yīng)形成耐熱梯型高分子的結(jié)果。再將預(yù)氧化纖維在氮?dú)庵羞M(jìn)行高溫處理1600℃的碳化處理，則纖維進(jìn)一步產(chǎn)生交聯(lián)環(huán)化、芳構(gòu)化及縮聚等反應(yīng)，并脫除氫、氮、氧原子，最后形成二維碳環(huán)平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和層片粗糙平行的亂層石墨結(jié)構(gòu)的碳纖維。
由PAN原絲制備碳纖維的工藝流程如下：PAN原絲→預(yù)氧化→碳化→石墨化→表面處理→卷取→碳纖維。
第一、原絲制備，聚丙烯腈和粘膠原絲主要采用濕法紡絲制得，瀝青和酚醛原絲則采用熔體紡絲制得。制備高性能聚丙烯腈基碳纖維需采用高純度、高強(qiáng)度和質(zhì)量均勻的聚丙烯腈原絲，制備原絲用的共聚單體為衣康酸等。制備各向異性的高性能瀝青基碳纖維需先將瀝青預(yù)處理成中間相、預(yù)中間相(苯可溶各向異性瀝青)和潛在中間相(喹啉可溶各向異性瀝青)等。作為燒蝕材料用的粘膠基碳纖維，其原絲要求不含堿金屬離子。
第二、預(yù)氧化(聚丙烯腈纖維200到300℃)、不融化(瀝青200到400℃)或熱處理(粘膠纖維240℃)，以得到耐熱和不熔的纖維，酚醛基碳纖維無此工序。
第三、碳化，其溫度為：聚丙烯腈纖維1000到1500℃，瀝青1500到1700℃，粘膠纖維400到2000℃。
第四、石墨化，聚丙烯腈纖維為2500到3000℃，瀝青2500到2800℃，粘膠纖維3000到3200℃。
第五、表面處理，進(jìn)行氣相或液相氧化等，賦予纖維化學(xué)活性，以增大對樹脂的親和性。
第六、上漿處理，防止纖維損傷，提高與樹脂母體的親和性。所得纖維具有各種不同的斷面結(jié)構(gòu)。
要想得到質(zhì)量好碳纖維，需要注意一下技術(shù)要點(diǎn)：
(1)實(shí)現(xiàn)原絲高純化、高強(qiáng)化、致密化以及表面光潔無暇是制備高性能碳纖維的首要任務(wù)。碳纖維系統(tǒng)工程需從原絲的聚合單體開始。原絲質(zhì)量既決定了碳纖維的性質(zhì)，又制約其生產(chǎn)成本。優(yōu)質(zhì)PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件。
(2)雜質(zhì)缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強(qiáng)度的根本措施，也是科技工作者研究的熱門課題。在某種意義上說，提高強(qiáng)度的過程實(shí)質(zhì)上就是減少、減小缺陷的過程。
(3)在預(yù)氧化過程中，保證均質(zhì)化的前提下，盡可能縮短預(yù)氧化時間。這是降低生產(chǎn)成本的方向性課題。
(4)研究高溫技術(shù)和高溫設(shè)備以及相關(guān)的重要構(gòu)件。高溫炭化溫度一般在1300到1800℃，石墨化一般在2500到3000℃。在如此高的溫度下操作，既要連續(xù)運(yùn)行、又要提高設(shè)備的使用壽命，所以研究新一代高溫技術(shù)和高溫設(shè)備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護(hù)、無氧狀態(tài)下進(jìn)行的微波、等離子和感應(yīng)加熱等技術(shù)。
以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。