碳纖維是一根細(xì)長(zhǎng)的材料，直徑約為 0.0002-0.0004 英寸（0.005-0.010 毫米），主要由碳原子組成。碳原子在微觀晶體中結(jié)合在一起，這些晶體或多或少平行于纖維的長(zhǎng)軸排列。晶體排列使得光纖的尺寸非常堅(jiān)固。數(shù)千根碳纖維捻在一起形成紗線，可以單獨(dú)使用或編織成織物。紗線或織物與環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合并纏繞或模塑成型以形成各種復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于制造飛機(jī)和航天器零件、賽車(chē)車(chē)身、高爾夫球桿桿身、自行車(chē)車(chē)架、釣魚(yú)竿、汽車(chē)彈簧、帆船桅桿、

碳纖維是在 1950 年代開(kāi)發(fā)的，作為導(dǎo)彈上高溫模制塑料部件的增強(qiáng)材料。種纖維是通過(guò)加熱人造絲線直到它們碳化來(lái)制造的。這個(gè)過(guò)程被證明是低效的，因?yàn)樗美w維僅含有約 20% 的碳，并且強(qiáng)度和剛度都很低。在 1960 年代初期，開(kāi)發(fā)了一種以聚丙烯腈為原料的工藝。這產(chǎn)生了含有約 55% 碳并具有更好性能的碳纖維。聚丙烯腈轉(zhuǎn)化工藝很快成為生產(chǎn)碳纖維的主要方法。

在 1970 年代，尋找替代原材料的實(shí)驗(yàn)工作導(dǎo)致引入了由石油加工衍生的石油瀝青制成的碳纖維。這些纖維含有約 85% 的碳并具有優(yōu)異的彎曲強(qiáng)度。不幸的是，它們的抗壓強(qiáng)度有限，并沒(méi)有被廣泛接受。

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

碳纖維的分類(lèi)

碳纖維按纖維的拉伸模量分類(lèi)。拉伸模量是一定直徑的纖維在不斷裂的情況下可以施加多大的拉力的量度。英制測(cè)量單位是每平方英寸橫截面積的磅力，或 psi。歸類(lèi)為“低模量”的碳纖維的拉伸模量低于 3480 萬(wàn)磅/平方英寸（2.4 億千帕）。其他分類(lèi)，按照拉伸模量的升序，包括“標(biāo)準(zhǔn)模量”、“中等模量”、“高模量”和“超高模量”。超高模量碳纖維的拉伸模量為 72.5-1.45 億磅/平方英寸（5 億-10 億千帕）。相比之下，鋼的拉伸模量約為 2900 萬(wàn)磅/平方英寸（2 億千帕）。

術(shù)語(yǔ)石墨纖維是指由石油瀝青制成的某些超高模量纖維。這些纖維具有非常接近三維晶體排列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這是被稱(chēng)為石墨的純碳的特征。

塑料被淹沒(méi)成長(zhǎng)線或纖維，然后加熱到非常高的溫度，而不允許它與氧氣接觸。 沒(méi)有氧氣，纖維就不能燃燒。 相反，高溫使纖維中的原子劇烈振動(dòng)，直到大部分非碳原子被排出。

塑料被淹沒(méi)成長(zhǎng)線或纖維，然后加熱到非常高的溫度，而不允許它與氧氣接觸。沒(méi)有氧氣，纖維就不能燃燒。相反，高溫使纖維中的原子劇烈振動(dòng)，直到大部分非碳原子被排出。

原料

用于制造碳纖維的原材料稱(chēng)為前驅(qū)體。大約 90% 的碳纖維是由聚丙烯腈制成的。其余 10% 由人造絲或石油瀝青制成。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(zhǎng)串分子。每個(gè)前體的確切成分因公司而異，通常被視為商業(yè)秘密。

在制造過(guò)程中，使用了多種氣體和液體。其中一些材料旨在與纖維反應(yīng)以達(dá)到特定效果。其他材料設(shè)計(jì)為不與纖維發(fā)生反應(yīng)或防止與纖維發(fā)生某些反應(yīng)。與前體一樣，許多這些工藝材料的確切成分被視為商業(yè)機(jī)密。

制造過(guò)程

制造碳纖維的過(guò)程部分是化學(xué)的，部分是機(jī)械的。前體被拉成長(zhǎng)線或纖維，然后加熱到非常高的溫度，不允許它與氧氣接觸。沒(méi)有氧氣，纖維就不能燃燒。相反，高溫使纖維中的原子劇烈振動(dòng)，直到大部分非碳原子被排出。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為碳化，并留下由長(zhǎng)而緊密的纖維組成

纖維被涂覆以保護(hù)它們?cè)诶p繞或編織過(guò)程中免受損壞。 涂覆的纖維纏繞在稱(chēng)為線軸的圓柱體上。

纖維被涂覆以保護(hù)它們?cè)诶p繞或編織過(guò)程中免受損壞。涂覆的纖維纏繞在稱(chēng)為線軸的圓柱體上。

碳原子的互鎖鏈，只剩下少數(shù)非碳原子。

以下是用于從聚丙烯腈形成碳纖維的典型操作順序。

紡紗

1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)懸浮或溶液聚合工藝中與催化劑反應(yīng)，形成聚丙烯腈塑料。

2 然后使用幾種不同方法中的一種將塑料紡成纖維。在某些方法中，塑料與某些化學(xué)品混合并通過(guò)微小的噴嘴泵入化學(xué)浴或驟冷室，在那里塑料凝結(jié)并固化成纖維。這類(lèi)似于用于形成聚丙烯酸紡織纖維的過(guò)程。在其他方法中，塑料混合物被加熱并通過(guò)微小的噴嘴泵入一個(gè)腔室，在那里溶劑蒸發(fā)，留下固體纖維。紡絲步驟很重要，因?yàn)樵诖诉^(guò)程中會(huì)形成纖維的內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)。

3 然后將纖維洗滌并拉伸至所需的纖維直徑。拉伸有助于排列纖維內(nèi)的分子，并為碳化后形成緊密結(jié)合的碳晶體提供基礎(chǔ)。

穩(wěn)定

4 在纖維碳化之前，它們需要進(jìn)行化學(xué)改變，以將它們的線性原子鍵轉(zhuǎn)換為更熱穩(wěn)定的梯形鍵。這是通過(guò)將纖維在空氣中加熱到大約 390-590°F（200-300°C）持續(xù) 30-120 分鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這導(dǎo)致纖維從空氣中吸收氧分子并重新排列它們的原子鍵合模式。穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，涉及多個(gè)步驟，其中一些步驟同時(shí)發(fā)生。它們還產(chǎn)生自己的熱量，必須對(duì)其進(jìn)行控制以避免使纖維過(guò)熱。在商業(yè)上，穩(wěn)定過(guò)程使用多種設(shè)備和技術(shù)。在一些工藝中，纖維被拉過(guò)一系列加熱室。在其他方面，纖維通過(guò)熱輥并通過(guò)由熱空氣流保持懸浮的松散材料床。一些過(guò)程使用與某些氣體混合的加熱空氣，以化學(xué)方式加速穩(wěn)定。

碳化

5 纖維穩(wěn)定后，將它們?cè)诔錆M(mǎn)不含氧氣的氣體混合物的熔爐中加熱到約 1,830-5,500° F（1,000-3,000° C）的溫度并持續(xù)幾分鐘。缺氧可防止纖維在非常高的溫度下燃燒。爐內(nèi)氣體壓力保持高于外界氣壓，纖維進(jìn)出爐膛的位置被密封以防止氧氣進(jìn)入。隨著纖維被加熱，它們開(kāi)始失去非碳原子，外加一些碳原子，以各種氣體的形式出現(xiàn)，包括水蒸氣、氨、一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮?dú)獾?。?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，它們或多或少地平行于纖維的長(zhǎng)軸排列。在一些工藝中，使用在兩種不同溫度下運(yùn)行的兩個(gè)爐子來(lái)更好地控制碳化過(guò)程中的減熱速率。

表面處理

6 碳化后，纖維的表面與復(fù)合材料中使用的環(huán)氧樹(shù)脂和其他材料不能很好地結(jié)合。為了使纖維具有更好的粘合性能，它們的表面被輕微氧化。將氧原子添加到表面可提供更好的化學(xué)鍵合特性，并且還蝕刻和粗糙化表面以獲得更好的機(jī)械鍵合特性。將纖維浸入空氣、二氧化碳或臭氧等各種氣體中即可實(shí)現(xiàn)氧化；或在各種液體中，例如次氯酸鈉或硝酸。還可以通過(guò)使纖維成為充滿(mǎn)各種導(dǎo)電材料的浴槽中的正極端子來(lái)電解涂覆纖維。

漿紗

7 表面處理后，對(duì)纖維進(jìn)行涂層處理，以保護(hù)它們?cè)诶p繞或編織過(guò)程中不受損壞。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為大小調(diào)整。選擇與用于形成復(fù)合材料的粘合劑相容的涂層材料。典型的涂層材料包括環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯、尼龍、聚氨酯等。

8 涂層纖維纏繞在稱(chēng)為線軸的圓柱體上。將筒子裝入紡紗機(jī)，將纖維捻成各種尺寸的紗線。

質(zhì)量控制

碳纖維的尺寸非常小，因此無(wú)法通過(guò)目視檢查作為質(zhì)量控制方法。相反，生產(chǎn)一致的前體纖維并嚴(yán)格控制用于將它們轉(zhuǎn)化為碳纖維的制造過(guò)程可以控制質(zhì)量。在生產(chǎn)的每個(gè)階段都密切監(jiān)控諸如時(shí)間、溫度、氣體流量和化學(xué)成分等工藝變量。

碳纖維以及成品復(fù)合材料也經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試。常見(jiàn)的纖維測(cè)試包括密度、強(qiáng)度、施膠量等。1990 年，先進(jìn)復(fù)合材料供應(yīng)商協(xié)會(huì)制定了碳纖維測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在整個(gè)行業(yè)都在使用這些標(biāo)準(zhǔn)。

健康和安全問(wèn)題

碳纖維的生產(chǎn)和處理涉及三個(gè)方面的問(wèn)題：粉塵吸入、皮膚刺激以及纖維對(duì)電氣設(shè)備的影響。

在加工過(guò)程中，碳纖維碎片會(huì)斷裂并以細(xì)粉塵的形式在空氣中循環(huán)。工業(yè)健康研究表明，與某些石棉纖維不同，碳纖維太大，吸入時(shí)不會(huì)對(duì)健康造成危害。然而，它們可能是一種刺激物，在該地區(qū)工作的人應(yīng)該戴上防護(hù)口罩。

碳纖維還會(huì)刺激皮膚，尤其是在手背和手腕上。對(duì)于存在碳纖維粉塵的地區(qū)的人，建議穿防護(hù)服或使用屏障護(hù)膚霜。用于涂覆纖維的上漿材料通常含有會(huì)引起嚴(yán)重皮膚反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，這也需要保護(hù)。

除了堅(jiān)固之外，碳纖維還是電的良導(dǎo)體。因此，碳纖維粉塵會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備產(chǎn)生電弧和短路。如果電氣設(shè)備無(wú)法從存在碳?jí)m的區(qū)域搬遷，則將設(shè)備密封在機(jī)柜或其他外殼中。