碳纤维：生产、特性和潜在用途

碳纤维由键合在一起形成长链的碳原子组成。这些纤维非常坚硬、坚固且轻便，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”构建块，包括纱线、单向、编织、编织和其他几种材料，这些材料又可用于制造复合材料部件。碳纤维零件的性能接近钢，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 微米的纤维，主要由碳原子组成。碳纤维具有高刚度、高拉伸强度、重量轻、高耐化学性、耐高温和低热膨胀等优点。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）
• 中间模量，IM 型（模量在 200-350Gpa 之间）
• 低模量高强度，HT型（模量<100Gpa，抗拉强度>3.0Gpa）
• 超高强度，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)，最终热处理温度应高于 2000°C，可与高模量类型纤维相关联。
• 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，可与高强度型纤维相关联。
• III 型、低热处理碳纤维，最终热处理温度不超过 1000°C。这些是低模量和低强度材料。

制造过程

来自聚丙烯腈 (PAN) 的碳纤维：

原料

用于制造碳纤维的原料称为前驱体。大约 90% 的碳纤维由聚丙烯腈制成。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，其特征是长链分子被碳原子结合在一起。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，使用了多种气体和液体。其中一些材料旨在与纤维发生反应以达到特定效果。其他材料旨在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视为商业秘密。

制造过程 PAN

纺纱

• 丙烯腈塑料粉末与另一种塑料混合，如丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯，并在常规悬浮或溶液聚合工艺中与催化剂反应，形成聚丙烯腈塑料。
•  然后使用几种不同的方法之一将塑料纺成纤维。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，塑料在其中凝固并凝固成纤维。这类似于用于形成聚丙烯酸纺织纤维的过程。在其他方法中，塑料混合物被加热并通过微小的喷射器泵入一个腔室，在该腔室中溶剂蒸发，留下固体纤维。纺丝步骤很重要，因为在此过程中形成了纤维的内部原子结构。
• 然后将纤维洗涤并拉伸至所需的纤维直径。拉伸有助于排列纤维内的分子，并为碳化后紧密结合的碳晶体的形成提供基础。

稳定

在碳化纤维之前，需要对其进行化学改变，以将其线性原子键合转变为热稳定性更高的阶梯键合。这是通过将纤维在空气中加热至约 390-590° F (200-300° C) 30-120 分钟来实现的。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。稳定化学反应很复杂，涉及多个步骤，其中一些步骤同时发生。它们也会产生自己的热量，必须控制这些热量以避免纤维过热。在商业上，稳定过程使用多种设备和技术。在某些工艺中，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，将在充满不含氧气的气体混合物的炉中将它们加热至约 1,830-5,500° F（1,000-3,000° C）的温度几分钟。氧气的缺乏阻止了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，并且纤维进出炉的点被密封以防止氧气进入。当纤维被加热时，它们开始失去非碳原子，加上一些碳原子，以各种气体的形式出现，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，这些晶体或多或少平行于纤维的长轴排列。

处理表面

碳化后，纤维的表面无法与复合材料中使用的环氧树脂和其他材料很好地结合。为了赋予纤维更好的粘合性能，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，例如次氯酸钠或硝酸。还可以通过在填充有各种导电材料的浴中使纤维成为正极端子来电解涂覆纤维。必须仔细控制表面处理过程，以避免形成微小的表面缺陷，如凹坑，从而导致光纤失效。

浆纱

• 表面处理后，对纤维进行涂层处理，以保护它们在缠绕或编织过程中免受损坏。这个过程称为上浆。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筒管的圆柱体上。筒管被装入纺纱机，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。任何坚固且轻便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

材料的刚度或刚度通过其杨氏模量来衡量，并衡量材料在应力下的挠曲程度。碳纤维增强塑料的刚度是玻璃增强塑料的 4 倍多，几乎是松木的 20 倍，是铝的 2.5 倍。 

碳纤维具有耐腐蚀和化学稳定性

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。其他矩阵（无论嵌入碳纤维的是什么）也可能具有反应性。

碳纤维是导电的

此功能可能很有用，但也很麻烦。在造船中，必须考虑到铝的导电性。碳纤维的导电性会促进管件中的电偶腐蚀。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，当碳纤维失效时，它通常会发生灾难性的失效，而没有太多迹象表明即将断裂。拉伸疲劳中的损坏被视为随着更多的应力循环次数而降低的刚度，（除非温度很高）测试表明，当循环应力与纤维方向一致时，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之前被拉伸或拉动时所能承受的最大应力。颈缩是样品横截面开始显着收缩的时候。如果你拿一条塑料袋，它会拉伸并在某一时刻开始变窄。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。他们在小压力下失败。

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断裂。碳纤维等直径仅为 2/10,000 英寸的纤维被制成适当形状的复合材料以进行测试。

耐火性/不易燃

根据制造工艺和前体材料，碳纤维可以非常柔软，可以制成或更常见地融入消防防护服。镀镍纤维就是一个例子。由于碳纤维在化学上也非常惰性，因此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。

碳纤维的导热性

热导率是在稳定条件下，由于单位温度梯度，在垂直于单位面积表面的方向上通过单位厚度传输的热量。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，因此无法准确指出导热系数。特殊类型的碳纤维专为高导热性或低导热性而设计。也有努力增强此功能。

低热膨胀系数

这是衡量材料在温度升高或降低时膨胀和收缩程度的量度。单位是英寸/英寸华氏度，在其他表中，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的张力。低热膨胀系数使碳纤维适用于小运动至关重要的应用。望远镜和其他光学机械就是这样一种应用。

无毒、生物惰性、X 射线可透过

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，但碳纤维可能非常刺激，需要限制长期无保护接触。然而，环氧树脂或聚酯基质可能有毒，需要适当小心。

碳纤维比较贵

尽管它在强度、刚度和重量减轻方面具有非凡的优势，但成本是一个制约因素。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。

酷和时尚是很难量化的。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，您可能需要更少的材料，这可能是一种节省。

碳纤维很脆

纤维中的层是由强共价键形成的。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。这些中空管的直径有些小至 0.00004 英寸（0.001 毫米），具有独特的机械和电气特性，可用于制造新型高强度纤维、亚显微试管或可能用于集成电路的新型半导体材料。