碳纖維綜合系列專(zhuān)題【一】 碳纖維制造原理

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      近年來(lái)，碳纖維筆記本電腦、碳纖維自行車(chē)、碳纖維網(wǎng)球拍等一系列碳纖維產(chǎn)品走進(jìn)了尋常百姓家，使得“碳纖維”成為了大家最耳熟能詳?shù)男虏牧现弧３祟l繁現(xiàn)身于日常用品，碳纖維還被應(yīng)用在汽車(chē)、航空、航天、船舶、能源等高新產(chǎn)業(yè)。可以說(shuō)，幾乎在所有的軍事和民用領(lǐng)域中都可以看到碳纖維的身影。本期專(zhuān)題將為大家揭開(kāi)碳纖維制造的神秘面紗。

碳纖維應(yīng)用在空客A380客機(jī)上

什么是碳纖維？

      回答這個(gè)問(wèn)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(guān)上，碳纖維的結(jié)構(gòu)和石墨有點(diǎn)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(gè)名字，叫做石墨烯。它只有一層原子厚度，面內(nèi)的碳原子呈六角形排列，類(lèi)似于蜂窩的形狀。這種獨(dú)特的原子排列結(jié)構(gòu)，使得石墨烯成為最強(qiáng)韌的材料。在石墨中，這些碳片狀晶體非常有規(guī)則地層疊起來(lái)；然而，在碳纖維中，這些碳片狀晶體并不總是那么規(guī)則，有時(shí)候碳片狀晶體可能出現(xiàn)相互交錯(cuò)情形。

       碳纖維的微觀(guān)結(jié)構(gòu)使其具有許多優(yōu)良性能，在保持密度低的前提下，獲得很大的軸向強(qiáng)度和楊氏模量，同時(shí)，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(dǎo)電導(dǎo)熱性能。這些優(yōu)良的特性，是保證其在各領(lǐng)域中得到應(yīng)用的前提。

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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(guān)結(jié)構(gòu)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(lái)制取碳纖維，只能采用一些含碳的有機(jī)纖維原料，將有機(jī)纖維與塑料樹(shù)脂結(jié)合在一起炭化制得碳纖維。

      被選用來(lái)制備碳纖維的有機(jī)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(yīng)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(jī)纖維作為原料，對(duì)具體的工藝參數(shù)會(huì)有不同的要求，制備出來(lái)的碳纖維的性能也會(huì)有一定的差異。然而，在這過(guò)程中，普遍需要經(jīng)歷纖維紡絲、熱穩(wěn)定化(預(yù)氧化)、氧化、碳化四個(gè)過(guò)程，其間伴隨著脫氫、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等化學(xué)變化。經(jīng)過(guò)這些過(guò)程以后，我們就可以得到碳纖維的原絲。

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      然而，制備出原絲并不意味著制備碳纖維的過(guò)程就結(jié)束了。制備出原絲后，還需要經(jīng)過(guò)上漿和固化的過(guò)程。所謂的上漿就是將原絲和環(huán)氧樹(shù)脂混合的過(guò)程。上漿過(guò)程使用的方法可以很多，可以通過(guò)自動(dòng)放置機(jī)械會(huì)將碳纖維浸泡在環(huán)氧樹(shù)脂中，也可以人工地將環(huán)氧樹(shù)脂和其他高分子與碳纖維混合起來(lái)。上漿結(jié)束后，就需要經(jīng)過(guò)最后的一個(gè)程序，那就是固話(huà)。固化過(guò)程常用到的方法是加熱，或者將環(huán)氧樹(shù)脂放在真空中加壓。固化主要是讓包裹了環(huán)氧樹(shù)脂的碳纖維硬化；此外，在固化過(guò)程中，碳纖維可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成原絲材料中不含碳的物質(zhì)，導(dǎo)致纖維顆粒之間的團(tuán)聚作用力更加強(qiáng)。這時(shí)候，碳纖維的產(chǎn)品就真正做好了。

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                                                碳纖維小提琴

       經(jīng)過(guò)本期的專(zhuān)題介紹，相信大家對(duì)于碳纖維是如何被制造出來(lái)有了一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，歡迎大家就本期專(zhuān)題跟帖討論。下期專(zhuān)題為碳纖維發(fā)展歷史。                              

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