碳纤维综合系列专题【一】 碳纤维制造原理

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      近年来，碳纤维笔记本电脑、碳纤维自行车、碳纤维网球拍等一系列碳纤维产品走进了寻常百姓家，使得“碳纤维”成为了大家最耳熟能详的新材料之一。除了频繁现身于日常用品，碳纤维还被应用在汽车、航空、航天、船舶、能源等高新产业。可以说，几乎在所有的军事和民用领域中都可以看到碳纤维的身影。本期专题将为大家揭开碳纤维制造的神秘面纱。

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碳纤维应用在空客A380客机上

什么是碳纤维？

      回答这个问题前，我们先了解一下什么是碳纤维。碳纤维(carbon fiber)，顾名思义，就是由碳元素组成的纤维，含碳量高于90%。在微观上，碳纤维的结构和石墨有点相似，都是由层状的碳片状晶体组成。这些碳片状晶体有一个名字，叫做石墨烯。它只有一层原子厚度，面内的碳原子呈六角形排列，类似于蜂窝的形状。这种独特的原子排列结构，使得石墨烯成为最强韧的材料。在石墨中，这些碳片状晶体非常有规则地层叠起来；然而，在碳纤维中，这些碳片状晶体并不总是那么规则，有时候碳片状晶体可能出现相互交错情形。

       碳纤维的微观结构使其具有许多优良性能，在保持密度低的前提下，获得很大的轴向强度和杨氏模量，同时，碳纤维具有很好的耐超高温性，耐疲劳性和耐腐蚀性，以及良好的导电导热性能。这些优良的特性，是保证其在各领域中得到应用的前提。

石墨烯(左)和石墨(右)

如此性能良好的碳纤维是怎样制成的？

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　　尽管碳纤维主要由碳组成，微观结构也和石墨非常接近；然而，人们至今还不能直接用碳或石墨来制取碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维原料，将有机纤维与塑料树脂结合在一起炭化制得碳纤维。

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      被选用来制备碳纤维的有机纤维主要包括：聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维等，其中应用较普遍的是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。选用不同的有机纤维作为原料，对具体的工艺参数会有不同的要求，制备出来的碳纤维的性能也会有一定的差异。然而，在这过程中，普遍需要经历纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、氧化、碳化四个过程，其间伴随着脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等化学变化。经过这些过程以后，我们就可以得到碳纤维的原丝。

      然而，制备出原丝并不意味着制备碳纤维的过程就结束了。制备出原丝后，还需要经过上浆和固化的过程。所谓的上浆就是将原丝和环氧树脂混合的过程。上浆过程使用的方法可以很多，可以通过自动放置机械会将碳纤维浸泡在环氧树脂中，也可以人工地将环氧树脂和其他高分子与碳纤维混合起来。上浆结束后，就需要经过最后的一个程序，那就是固话。固化过程常用到的方法是加热，或者将环氧树脂放在真空中加压。固化主要是让包裹了环氧树脂的碳纤维硬化；此外，在固化过程中，碳纤维可能会发生化学反应，生成原丝材料中不含碳的物质，导致纤维颗粒之间的团聚作用力更加强。这时候，碳纤维的产品就真正做好了。

                                                碳纤维小提琴

       经过本期的专题介绍，相信大家对于碳纤维是如何被制造出来有了一个感性的认识，欢迎大家就本期专题跟帖讨论。下期专题为碳纤维发展历史。                              

参考网站  蝌蚪五线谱

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