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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(wǎng)球拍等一系列碳纖維產(chǎn)品走進了尋常百姓家，使得“碳纖維”成為了大家最耳熟能詳?shù)男虏牧现�,。除了頻繁現(xiàn)身于日常用品，碳纖維還被應(yīng)用在汽車,、航空,、航天,、船舶,、能源等高新產(chǎn)業(yè)�,？梢哉f,，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。本期專題將為大家揭開碳纖維制造的神秘面紗,。
# n0 |% ~, Q2 s% u' H3 Z) @碳纖維應(yīng)用在空客A380客機上 什么是碳纖維,？
5 T; c5 ~- W; x- O [ 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(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu),，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(xiàn)相互交錯情形,。 4 u" F. S: J& A; W
碳纖維的微觀結(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(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)
" U( ]% \6 j; A. O9 X' i+ }如此性能良好的碳纖維是怎樣制成的？
' K9 @4 v4 z# a" ]( J8 Q. P8 m 盡管碳纖維主要由碳組成,，微觀結(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(jié)合在一起炭化制得碳纖維。 ' ]. m; A0 k, }
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(yīng)用較普遍的是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維,。選用不同的有機纖維作為原料,，對具體的工藝參數(shù)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(jīng)歷纖維紡絲,、熱穩(wěn)定化(預(yù)氧化),、氧化、碳化四個過程,，其間伴隨著脫氫,、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等化學變化,。經(jīng)過這些過程以后,，我們就可以得到碳纖維的原絲。 7 }% J+ U4 |* \2 F, z; D- S+ M
然而,，制備出原絲并不意味著制備碳纖維的過程就結(jié)束了,。制備出原絲后，還需要經(jīng)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(jié)束后，就需要經(jīng)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(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聚作用力更加強,。這時候,，碳纖維的產(chǎn)品就真正做好了,。 0 Y, o# L' ~8 B3 E: l
碳纖維小提琴
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經(jīng)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,。 . r; }, F- L ~( w9 u9 h) C- y
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發(fā)表于 2017-4-11 15:48:23
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