碳纖維綜合系列專題【一】碳纖維制造原理

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發表于 2017-4-11 15:48:23 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

近年來，碳纖維筆記本電腦、碳纖維自行車、碳纖維網球拍等一系列碳纖維產品走進了尋常百姓家，使得“碳纖維”成為了大家最耳熟能詳的新材料之一。除了頻繁現身于日常用品，碳纖維還被應用在汽車、航空、航天、船舶、能源等高新產業。可以說，幾乎在所有的軍事和民用領域中都可以看到碳纖維的身影。本期專題將為大家揭開碳纖維制造的神秘面紗。

碳纖維應用在空客A380客機上

什么是碳纖維？

回答這個問題前，我們先了解一下什么是碳纖維。碳纖維(carbon fiber)，顧名思義，就是由碳元素組成的纖維，含碳量高于90%。在微觀上，碳纖維的結構和石墨有點相似，都是由層狀的碳片狀晶體組成。這些碳片狀晶體有一個名字，叫做石墨烯。它只有一層原子厚度，面內的碳原子呈六角形排列，類似于蜂窩的形狀。這種獨特的原子排列結構，使得石墨烯成為最強韌的材料。在石墨中，這些碳片狀晶體非常有規則地層疊起來；然而，在碳纖維中，這些碳片狀晶體并不總是那么規則，有時候碳片狀晶體可能出現相互交錯情形。

碳纖維的微觀結構使其具有許多優良性能，在保持密度低的前提下，獲得很大的軸向強度和楊氏模量，同時，碳纖維具有很好的耐超高溫性，耐疲勞性和耐腐蝕性，以及良好的導電導熱性能。這些優良的特性，是保證其在各領域中得到應用的前提。

石墨烯(左)和石墨(右)

如此性能良好的碳纖維是怎樣制成的？

　　盡管碳纖維主要由碳組成，微觀結構也和石墨非常接近；然而，人們至今還不能直接用碳或石墨來制取碳纖維，只能采用一些含碳的有機纖維原料，將有機纖維與塑料樹脂結合在一起炭化制得碳纖維。

被選用來制備碳纖維的有機纖維主要包括：聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維等，其中應用較普遍的是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。選用不同的有機纖維作為原料，對具體的工藝參數會有不同的要求，制備出來的碳纖維的性能也會有一定的差異。然而，在這過程中，普遍需要經歷纖維紡絲、熱穩定化(預氧化)、氧化、碳化四個過程，其間伴隨著脫氫、環化、預氧化、氧化及脫氧等化學變化。經過這些過程以后，我們就可以得到碳纖維的原絲。

然而，制備出原絲并不意味著制備碳纖維的過程就結束了。制備出原絲后，還需要經過上漿和固化的過程。所謂的上漿就是將原絲和環氧樹脂混合的過程。上漿過程使用的方法可以很多，可以通過自動放置機械會將碳纖維浸泡在環氧樹脂中，也可以人工地將環氧樹脂和其他高分子與碳纖維混合起來。上漿結束后，就需要經過最后的一個程序，那就是固話。固化過程常用到的方法是加熱，或者將環氧樹脂放在真空中加壓。固化主要是讓包裹了環氧樹脂的碳纖維硬化；此外，在固化過程中，碳纖維可能會發生化學反應，生成原絲材料中不含碳的物質，導致纖維顆粒之間的團聚作用力更加強。這時候，碳纖維的產品就真正做好了。

碳纖維小提琴

經過本期的專題介紹，相信大家對于碳纖維是如何被制造出來有了一個感性的認識，歡迎大家就本期專題跟帖討論。下期專題為碳纖維發展歷史。

參考網站蝌蚪五線譜

碳纖維