碳纤维：生产、性能和潜在用途

碳纤维是由碳原子键合在一起形成一条长链。这些纤维非常坚硬、坚固且轻巧，可用于许多工艺以制造出色的建筑材料。碳纤维材料有多种“原始”组成部分，包括纱线、单向、编织、编织物和其他几种，这些材料又用于制造复合材料部件。碳纤维部件的性能接近钢，重量接近塑料。因此，碳纤维部件的强度重量比（以及刚度重量比）远高于钢或塑料。碳纤维非常坚固。在工程中，通常会根据强度重量比和刚度重量比来衡量材料的优势，特别是在结构设计中。

介绍

碳纤维或碳纤维是直径约 5-10 微米且主要由碳原子组成的纤维。碳纤维具有几个优点，包括高刚度、高拉伸强度、低重量、高耐化学性、耐高温和低热膨胀。这些特性使碳纤维在航空航天、土木工程、军事和赛车运动以及其他竞技运动中非常受欢迎。然而，与玻璃纤维或塑料纤维等类似纤维相比，它们相对昂贵。

分类和类型

根据模量、强度和最终热处理温度，碳纤维可分为以下几类：

根据碳纤维的特性，碳纤维可分为：

• 超高模量，UHM 型（模量 >450Gpa）
• 高模量，HM 型（模量在 350-450Gpa 之间）
• 中模量，IM 型（模量在 200-350Gpa 之间）
• 低模高抗拉，HT型（模量<100Gpa，抗拉强度>3.0Gpa）
• 超高抗拉，SHT型（抗拉强度> 4.5Gpa）

根据前体纤维材料，碳纤维分为：

• PAN基碳纤维
• 沥青基碳纤维
• 中间相沥青基碳纤维
• 各向同性沥青基碳纤维
• 人造丝碳纤维
• 气相生长碳纤维

根据最终热处理温度，碳纤维分为：

• I 型，高热处理碳纤维 (HTT)，其最终热处理温度应高于 2000°C，可与高模量型纤维结合使用。
• II型，中间热处理碳纤维（IHT），最终热处理温度应在1500°C左右或以上，可与高强度型纤维结合使用。
• III 型，低热处理碳纤维，最终热处理温度不高于 1000°C。这些是低模量和低强度材料。

制造工艺

聚丙烯腈 (PAN) 碳纤维：

原料

用于制造碳纤维的原料称为前驱体。生产的碳纤维中约有 90% 由聚丙烯腈制成。其余 10% 由人造丝或石油沥青制成。所有这些材料都是有机聚合物，其特点是由碳原子结合在一起的长链分子。每种前体的确切成分因公司而异，通常被视为商业秘密。在制造过程中，使用了各种气体和液体。其中一些材料旨在与纤维反应以达到特定效果。其他材料被设计成不与纤维发生反应或防止与纤维发生某些反应。与前体一样，许多这些工艺材料的确切成分被认为是商业机密。

制造过程 PAN

纺纱

• 丙烯腈塑料粉末与另一种塑料如丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯混合，并在传统的悬浮或溶液聚合工艺中与催化剂反应形成聚丙烯腈塑料。
•  然后使用几种不同方法中的一种将塑料纺成纤维。在某些方法中，塑料与某些化学物质混合，并通过微小的喷射器泵入化学浴或淬火室，在那里塑料凝结并固化成纤维。这类似于用于形成聚丙烯腈纺织纤维的工艺。在其他方法中，塑料混合物被加热并通过微小的喷嘴泵入溶剂蒸发的腔室，留下固体纤维。纺丝步骤很重要，因为纤维的内部原子结构是在此过程中形成的。
• 然后将纤维洗涤并拉伸至所需的纤维直径。拉伸有助于纤维内的分子排列，并为碳化后紧密结合的碳晶体的形成提供基础。

稳定

在纤维碳化之前，它们需要进行化学改变，以将它们的线性原子键转化为更热稳定的梯形键。这是通过在空气中将纤维加热到大约 390-590° F (200-300° C) 30-120 分钟来完成的。这导致纤维从空气中吸收氧分子并重新排列它们的原子键合模式。稳定化化学反应很复杂，涉及多个步骤，其中一些步骤同时发生。它们还产生自己的热量，必须对其进行控制以避免纤维过热。在商业上，稳定过程使用多种设备和技术。在某些过程中，纤维被拉过一系列加热室。在其他情况下，纤维通过热辊并通过由热空气流保持悬浮的松散材料床。

碳化

纤维稳定后，在充满不含氧气的气体混合物的熔炉中将它们加热到约 1,830-5,500° F (1,000-3,000° C) 的温度几分钟。缺氧会阻止纤维在非常高的温度下燃烧。炉内的气压保持高于外部气压，纤维进出炉的点被密封以防止氧气进入。随着纤维被加热，它们开始以各种气体的形式失去其非碳原子以及一些碳原子，包括水蒸气、氨、一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气等。随着非碳原子被排出，剩余的碳原子形成紧密结合的碳晶体，这些碳晶体或多或少平行于纤维的长轴排列。

图 2

处理表面

碳化后，纤维的表面不能与复合材料中使用的环氧树脂和其他材料很好地结合。为了使纤维具有更好的粘合性能，它们的表面被轻微氧化。向表面添加氧原子可提供更好的化学键合性能，并且还蚀刻和粗糙化表面以获得更好的机械键合性能。可以通过将纤维浸入空气、二氧化碳或臭氧等各种气体中来实现氧化；或在各种液体中，如次氯酸钠或硝酸。也可以通过使纤维在充满各种导电材料的浴槽中作为正极端子来对纤维进行电解涂覆。必须仔细控制表面处理过程，以避免形成可能导致纤维失效的微小表面缺陷，例如凹坑。

浆纱

• 表面处理后，纤维被涂层以保护它们在缠绕或编织过程中免受损坏。这个过程称为大小调整。选择涂层材料以与用于形成复合材料的粘合剂相容。典型的涂层材料包括环氧树脂、聚酯、尼龙、聚氨酯等。
• 8 涂层纤维缠绕在称为线轴的圆柱体上。筒子被装入纺纱机，纤维被捻成各种尺寸的纱线。

特性

碳纤维具有高强度重量比（也称为比强度）

材料的强度是失效时每单位面积的力除以其密度。任何既坚固又轻的材料都具有良好的强度/重量比。铝、钛、镁、碳和玻璃纤维、高强度钢合金等材料都具有良好的强度重量比。

碳纤维非常坚硬

材料的刚性或刚度由其杨氏模量测量，并测量材料在应力下的偏转程度。碳纤维增强塑料的硬度是玻璃增强塑料的 4 倍以上，几乎是松木的 20 倍，是铝的 2.5 倍。

碳纤维耐腐蚀且化学稳定

虽然碳纤维本身不会变质，但 Epoxy 对阳光很敏感，需要加以保护。其他基质（无论嵌入什么碳纤维）也可能是反应性的。

碳纤维是导电的

此功能可能很有用，但很麻烦。在造船中 必须考虑到铝的导电性。碳纤维导电性可以促进配件中的电偶腐蚀。仔细安装可以减少这个问题。

抗疲劳性好

碳纤维复合材料的抗疲劳性很好。然而，当碳纤维发生故障时，它通常会发生灾难性的故障，而不会宣布即将中断。拉伸疲劳中的损伤被视为随着更多的应力循环而降低刚度，（除非温度很高）测试表明，当循环应力与纤维取向一致时，失效不太可能成为问题。碳纤维在疲劳和静态强度以及刚度方面优于 E 玻璃。

碳纤维具有良好的抗拉强度

拉伸强度或极限强度是材料在颈缩或失效前被拉伸或拉动时所能承受的最大应力。缩颈是指样品横截面开始显着收缩的时候。如果你拿一条塑料袋，它会拉伸并且在某一时刻会开始变窄。这是缩颈。它以每单位面积的力来衡量。由于内部缺陷，碳纤维等脆性材料并不总是在相同的应力水平下失效。他们在小应变下失败。

测试包括取一个具有固定横截面积的样品，然后逐渐增加拉力，直到样品改变形状或破裂。将直径仅为 2/10,000 英寸的纤维（例如碳纤维）制成适当形状的复合材料以进行测试。

耐火性/不可燃

根据制造工艺和前体材料的不同，碳纤维可以非常柔软，可以制成或更经常集成到消防防护服中。镀镍光纤就是一个例子。因为碳纤维在化学上也是非常惰性的，所以它可以在有火和腐蚀剂的地方使用。碳纤维防火毯请原谅打字错误。

碳纤维的导热系数

热导率是在稳定条件下，由于单位温度梯度，沿垂直于单位面积表面的方向通过单位厚度传递的热量。换句话说，它衡量热量流过材料的难易程度。

由于碳纤维的主题有很多变化，因此无法准确确定导热性。特殊类型的碳纤维专为高或低导热率而设计。也有努力增强此功能。

低热膨胀系数

这是当温度上升或下降时材料膨胀和收缩的量度。单位为英寸/英寸华氏度，与其他表格一样，单位并不像比较那么重要。在足够高的桅杆中，各种材料的热膨胀系数差异会略微改变钻机张力。低热膨胀系数使碳纤维适用于小运动可能至关重要的应用。望远镜和其他光学机械就是这样一种应用。

无毒、生物惰性、可透过 X 射线

这些品质使碳纤维在医疗应用中非常有用。假体使用、植入物和肌腱修复、X 射线配件手术器械，都在开发中。虽然无毒，但碳纤维可能会产生很大的刺激性，因此需要限制长期无保护的接触。然而，环氧树脂或聚酯基体可能是有毒的，因此需要采取适当的措施。

碳纤维相对昂贵

尽管它提供了强度、刚性和减轻重量的特殊优势，但成本是一种威慑。除非重量优势特别重要，例如在航空应用或赛车中，否则通常不值得额外花费。碳纤维的低维护要求是另一个优势。

酷炫时尚很难量化。碳纤维具有光环和声誉，使消费者愿意为拥有它的声望付出更多。与玻璃纤维相比，您可能需要的更少，这可能是一种节省。

碳纤维很脆

纤维中的层由强共价键形成。片状聚集体很容易使裂纹扩展。当纤维弯曲时，它们会在非常低的应变下失效。

应用

碳纤维的特性及应用

结论

碳纤维技术的最新发展是称为纳米管的微小碳管。这些中空管，有些直径小至 0.00004 英寸（0.001 毫米），具有独特的机械和电气特性，可用于制造新的高强度纤维、亚显微试管或可能用于集成电路的新半导体材料。