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碳纤维是怎样被制造出来的?结构与石墨有点相似

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。然而,你知道碳纤维是怎样制造出来的吗?

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?

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。

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。

碳纤维车身

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,那就是固化。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。

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