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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(yè),�,？梢哉f，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,。
2 G. T2 A6 c. u: M3 F# k- X碳纖維應用在空客A380客機上 什么是碳纖維？
# R ^# L9 \& u/ e7 Q! }9 @/ b 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(guī)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(guī)則,，有時候碳片狀晶體可能出現相互交錯情形。 1 t% q0 C1 T1 l& ]. ^2 S2 l, q, J
碳纖維的微觀結構使其具有許多優(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(yōu)良的特性,，是保證其在各領域中得到應用的前提。
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石墨烯(左)和石墨(右) & U' ]% R# @7 D4 L2 x4 z6 M
如此性能良好的碳纖維是怎樣制成的,？
& O# B1 W& U) q8 y* d& x, ~ 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,。
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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(wěn)定化(預氧化)、氧化,、碳化四個過程,，其間伴隨著脫氫、環(huán)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,。
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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(huán)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(huán)氧樹脂中,，也可以人工地將環(huán)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(huán)氧樹脂放在真空中加壓,。固化主要是讓包裹了環(huán)氧樹脂的碳纖維硬化；此外,，在固化過程中,，碳纖維可能會發(fā)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,。 8 F p7 o4 x9 F$ k' k) F
碳纖維小提琴
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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(fā)展歷史。
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發(fā)表于 2017-4-11 15:48:23
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