碳纤维是怎样被制造出来的？

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已经进入普通人的家庭，使“碳纤维”成为最常见的新材料之一。除了经常出现在日常生活用品中，碳纤维还用于高科技行业，如汽车、航空、航天、船舶、能源等。可以说，几乎在所有的军事和民用领域都可以看到碳纤维。然而，你知道碳纤维是如何制造的吗？

碳纤维在空客A380中的应用

什么是碳纤维？

在回答这个问题之前，让我们先了解一下什么是碳纤维。碳纤维，顾名思义，是由碳元素组成的纤维，含碳量高于90%。微观上，碳纤维的结构与石墨有些相似，石墨由层状碳薄片晶体组成。这些碳薄片晶体有一个名字叫做石墨烯。它只有一层原子厚度，平面上的碳原子排列成六边形，类似蜂窝的形状。这种独特的原子排列结构使石墨烯成为最强的材料。在石墨中，这些碳薄片晶体非常规则地层叠在一起。然而，在碳纤维中，这些碳薄片晶体并不总是如此规则，有时碳薄片晶体可能相互交叉。

石墨烯(左)和石墨(右)

碳纤维的微观结构使其具有许多优异的性能。在保持低密度的前提下，可以获得较大的轴向强度和杨氏模量。同时，碳纤维具有良好的抗超高温、抗疲劳和耐腐蚀性能，以及良好的导电性和导热性。这些优良特性是保证其在各个领域应用的前提。

碳纤维是如何制造出如此好的性能的？

虽然碳纤维主要由碳组成，但其微观结构非常接近石墨。然而，到目前为止，人们不能直接使用碳或石墨来生产碳纤维。他们只能使用一些含碳的有机纤维原料，将有机纤维与塑料树脂结合，然后碳化生产碳纤维。

碳纤维体

选择用于制备碳纤维的有机纤维主要包括聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶纤维或酚醛纤维，其中聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维应用广泛。选择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，制备的碳纤维的性能也会有一定的差异。然而，在该过程中，通常需要纤维纺丝、热稳定(预氧化)、氧化和碳化，伴随着化学变化，例如脱氢、环化、预氧化、氧化和脱氧。经过这些过程，我们可以获得碳纤维前驱体。

然而，制备前体并不意味着制备碳纤维的过程已经结束。在制备前体纤维后，它们还需要经过上浆和固化过程。所谓的施胶是将前体和环氧树脂混合的过程。上浆过程中使用了许多方法。碳纤维可以通过自动铺放机浸泡在环氧树脂中，或者环氧树脂和其他聚合物可以手工与碳纤维混合。尺寸调整完成后，需要经过最后一道工序，即固定线。常用的固化方法是在真空中加热或加压环氧树脂。固化主要是硬化用环氧树脂包裹的碳纤维；此外，在固化过程中，碳纤维可能经历化学反应以在前体材料中产生无碳物质，导致纤维颗粒之间更强的凝聚力。此时，碳纤维产品已经准备就绪。