碳纖維綜合系列專題【一】 碳纖維制造原理

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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(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�一。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,。

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(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,；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,。

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       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(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？

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　　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(jī)纖維原料,，將有機(jī)纖維與塑料樹脂結(jié)合在一起炭化制得碳纖維。

      被選用來制備碳纖維的有機(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,，制備出來的碳纖維的性能也會(huì)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(gè)過程，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(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(dòng)放置機(jī)械會(huì)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(gè)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(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)過本期的專題介紹,，相信大家對(duì)于碳纖維是如何被制造出來有了一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，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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