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中國從制造大國轉(zhuǎn)向制造強(qiáng)國，靠的是什么？是材料！戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的70%，都需要靠新材料來支撐碳纖維是一種高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料，因其具有非氧化環(huán)境下耐超高溫、耐疲勞性好、耐腐蝕性好及良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性，被稱為“新材料之

中國從制造大國轉(zhuǎn)向制造強(qiáng)國，靠的是什么？是材料！戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的70%，都需要靠新材料來支撐

碳纖維是一種高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料，因其具有非氧化環(huán)境下耐超高溫、耐疲勞性好、耐腐蝕性好及良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性，被稱為“新材料之王”

碳纖維概覽

說到碳纖維，大家都有所耳聞，它是一種長而細(xì)的材料束，直徑約為0.005-0.010毫米，主要由碳原子組成

為了產(chǎn)生碳纖維，碳原子在晶體中被鍵合在一起，平行排列的纖維長軸給予碳纖維相當(dāng)高的強(qiáng)度-體積比，幾千條碳纖維集束在一起形成一個(gè)纖維束，其可以單獨(dú)使用或被編織成織物

紗線或織物再與環(huán)氧樹脂結(jié)合，纏繞或模壓成形，形成各種復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料常用于制造飛機(jī)和航天器部件、賽車車身、高爾夫球桿軸、自行車架、釣魚桿、汽車彈簧、帆船桅桿以及許多其他需要輕質(zhì)和高強(qiáng)度的部件

碳纖維是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種增強(qiáng)材料，第一批纖維是通過加熱人造絲直到碳化而制成的，這一工藝被證明是低效的，因?yàn)榈玫降睦w維只含有約20%的碳，并且強(qiáng)度和剛度都較低

20世紀(jì)60年代初，以聚丙烯腈為原料開發(fā)了一種新工藝，這就產(chǎn)生了一種含碳量約為55%的碳纖維，并且具有更好的性能，聚丙烯腈轉(zhuǎn)化工藝迅速成為生產(chǎn)碳纖維的主要方法

在20世紀(jì)70年代，尋找性能優(yōu)異替代原材料的工作開始，而從石油加工中提取的石油瀝青制成的碳纖維方法可以使纖維含有約85%的碳，且具有優(yōu)異的彎曲強(qiáng)度，但遺憾的是這種工藝生產(chǎn)的碳纖維只有有限的抗壓強(qiáng)度，并沒有被廣泛接受

如今，碳纖維是許多產(chǎn)品的重要組成部分，每年都在開發(fā)新的應(yīng)用，美國、日本和西歐是碳纖維的主要生產(chǎn)國

碳纖維分類

碳纖維按纖維的拉伸模量分類，拉伸模量是測(cè)量一定直徑的纖維在不斷裂的情況下能施加多大的拉力

英國的測(cè)量單位是磅力每平方英寸的橫截面積（psi），歸類為“低模量”的碳纖維的拉伸模量低于3480萬psi（2.4億kPa）

按拉伸模量升序排列的其他分類包括“標(biāo)準(zhǔn)模量”、“中間模量”、“高模量”和“超高模量”，超高模量碳纖維的拉伸模量為725-1450萬psi（5億-10億kPa），相比之下，鋼的拉伸模量約為2900萬psi（2億kPa），因此，強(qiáng)度最大的碳纖維大約是鋼的五倍

石墨纖維是指由石油瀝青制成的超高模量纖維，這些纖維具有緊密接近三維晶體排列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所述三維晶體取向是純石墨形式的碳的特征

原料及制造

用來制造碳纖維的原材料叫做前體，目前大約90%的碳纖維是由聚丙烯腈制成的，剩下的10%是人造絲或石油瀝青，所有這些材料都是有機(jī)聚合物，其特征是由碳原子結(jié)合在一起的長串分子，每種前體的確切組成因公司而異，這也是不同制造商的核心技術(shù)，通常是高級(jí)的商業(yè)秘密

碳纖維在制造過程中會(huì)使用各種氣體和液體，其中一些材料被設(shè)計(jì)成與纖維反應(yīng)以達(dá)到特定的效果，而另外一些材料的設(shè)計(jì)則不是為了與纖維發(fā)生反應(yīng)或防止與纖維發(fā)生某些反應(yīng)，與前體一樣，許多這些加工材料的確切成分也是各個(gè)制造商的商業(yè)機(jī)密

首先丙烯腈塑料粉末與另一種塑料（如丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯）混合，在常規(guī)懸浮或溶液聚合過程中與催化劑反應(yīng)，形成聚丙烯腈塑料

然后有幾種不同的方法可以將塑料紡成纖維，在某些方法中，塑料與某些化學(xué)物質(zhì)混合，通過微小的射流泵入化學(xué)浸洗器或激冷室，在那里塑料凝結(jié)并凝固成纖維，這與聚丙烯纖維的形成過程相似

在其他方法中，塑料混合物被加熱并通過微小的射流泵入溶劑蒸發(fā)室，留下固體纖維，紡絲步驟很重要，因?yàn)槔w維的內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)是在這個(gè)過程中形成的

然后將纖維洗滌并拉伸至所需的纖維直徑，拉伸有助于使纖維內(nèi)的分子對(duì)齊，并為碳化后緊密結(jié)合的碳晶體的形成提供基礎(chǔ)

在纖維碳化之前，需要對(duì)它們進(jìn)行化學(xué)改變，以將它們的線性原子鍵合轉(zhuǎn)換為更熱穩(wěn)定的梯形鍵合，該過程通過將空氣中的纖維加熱到大約200-300°C同時(shí)持續(xù)30-120分鐘來實(shí)現(xiàn)的

這使得纖維從空氣中吸收氧分子并重新排列它們的原子鍵模式，穩(wěn)定化學(xué)反應(yīng)是復(fù)雜的，包括幾個(gè)步驟，其中一些是同時(shí)發(fā)生的

過程中它們還會(huì)產(chǎn)生自己的熱量，必須對(duì)其進(jìn)行控制，以避免纖維過熱，在商業(yè)上，穩(wěn)定過程使用各種設(shè)備和技術(shù)，在某些過程中，纖維被拉過一系列加熱室

而在另一些情況下，纖維通過熱輥，并通過由熱空氣流懸浮在一起的松散材料的床層，有些過程使用加熱的空氣與某些氣體混合，以化學(xué)方式加速穩(wěn)定

纖維穩(wěn)定后，在充滿不含氧氣體混合物的爐中加熱至約1000-3000°C數(shù)分鐘，此時(shí)缺氧使纖維在高溫下無法燃燒，爐內(nèi)的氣體壓力保持在高于外部空氣壓力的狀態(tài)，密封進(jìn)入和離開爐的點(diǎn)以防止氧氣進(jìn)入

隨著纖維被加熱，它們開始以各種氣體的形式失去其非碳原子以及一些碳原子，這些氣體包括水蒸氣，氨，一氧化碳，二氧化碳，氫氣，氮?dú)獾?/p>

當(dāng)非碳原子被排出時(shí)，剩余的碳原子形成緊密結(jié)合的碳晶體，這些碳晶體或多或少平行于纖維的長軸排列，在一些過程中，使用兩個(gè)在兩個(gè)不同溫度下操作的爐子來更好地控制碳化過程中的加熱速率

在碳化后，纖維的表面不能很好地與環(huán)氧樹脂和復(fù)合材料中使用的其他材料結(jié)合，為了使纖維具有更好的粘接性能，它們的表面被輕微氧化，同時(shí)需要向表面添加氧原子可以提供更好的化學(xué)鍵合性能，并且還可以蝕刻和粗糙表面以獲得更好的機(jī)械鍵合性能

氧化可以通過將纖維浸入各種氣體(如空氣、二氧化碳或臭氧)或各種液體(如次氯酸鈉或硝酸)中實(shí)現(xiàn)，還可以通過使纖維在充滿各種導(dǎo)電材料的槽中作為正極端子來電解涂覆纖維，表面處理過程必須小心控制，以避免形成微小的表面缺陷，如凹坑等這些這可能導(dǎo)致纖維失效的因素

經(jīng)過表面處理后，纖維被涂上保護(hù)層，以防止在纏繞或編織過程中受損，另外選擇的涂層材料應(yīng)與用于形成復(fù)合材料的粘合劑相容，典型的涂層材料包括環(huán)氧樹脂、聚酯、尼龍、聚氨酯等

接著被涂覆的纖維纏繞在稱為筒管的圓筒上，筒子裝進(jìn)紡紗機(jī)，纖維被捻成各種尺寸的紗線

碳纖維的尺寸非常小，肉眼無法對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行控制，那么生產(chǎn)一致的前體纖維并嚴(yán)格控制用于將其轉(zhuǎn)化為碳纖維的制造過程是質(zhì)量控制的決定因素，同時(shí)，生產(chǎn)的每個(gè)階段都需要隨諸如時(shí)間、溫度、氣體流量和化學(xué)成分等過程變量進(jìn)行密切的關(guān)注

最后

你在生活中都是用過哪些碳纖維產(chǎn)品以及對(duì)碳纖維產(chǎn)品的感受，歡迎討論