中國從制造大國轉向制造強國，靠的是什么？是材料！戰略性新興產業的70%，都需要靠新材料來支撐

碳纖維是一種高強度、高模量纖維的新型纖維材料，因其具有非氧化環境下耐超高溫、耐疲勞性好、耐腐蝕性好及良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性，被稱為“新材料之王”

碳纖維概覽

說到碳纖維，大家都有所耳聞，它是一種長而細的材料束，直徑約為0.005-0.010毫米，主要由碳原子組成

為了產生碳纖維，碳原子在晶體中被鍵合在一起，平行排列的纖維長軸給予碳纖維相當高的強度-體積比，幾千條碳纖維集束在一起形成一個纖維束，其可以單獨使用或被編織成織物

紗線或織物再與環氧樹脂結合，纏繞或模壓成形，形成各種復合材料，碳纖維增強復合材料常用于制造飛機和航天器部件、賽車車身、高爾夫球桿軸、自行車架、釣魚桿、汽車彈簧、帆船桅桿以及許多其他需要輕質和高強度的部件

碳纖維是20世紀50年代發展起來的一種增強材料，第一批纖維是通過加熱人造絲直到碳化而制成的，這一工藝被證明是低效的，因為得到的纖維只含有約20%的碳，并且強度和剛度都較低

20世紀60年代初，以聚丙烯腈為原料開發了一種新工藝，這就產生了一種含碳量約為55%的碳纖維，并且具有更好的性能，聚丙烯腈轉化工藝迅速成為生產碳纖維的主要方法

在20世紀70年代，尋找性能優異替代原材料的工作開始，而從石油加工中提取的石油瀝青制成的碳纖維方法可以使纖維含有約85%的碳，且具有優異的彎曲強度，但遺憾的是這種工藝生產的碳纖維只有有限的抗壓強度，并沒有被廣泛接受

如今，碳纖維是許多產品的重要組成部分，每年都在開發新的應用，美國、日本和西歐是碳纖維的主要生產國

碳纖維分類

碳纖維按纖維的拉伸模量分類，拉伸模量是測量一定直徑的纖維在不斷裂的情況下能施加多大的拉力

英國的測量單位是磅力每平方英寸的橫截面積（psi），歸類為“低模量”的碳纖維的拉伸模量低于3480萬psi（2.4億kPa）

按拉伸模量升序排列的其他分類包括“標準模量”、“中間模量”、“高模量”和“超高模量”，超高模量碳纖維的拉伸模量為725-1450萬psi（5億-10億kPa），相比之下，鋼的拉伸模量約為2900萬psi（2億kPa），因此，強度最大的碳纖維大約是鋼的五倍

石墨纖維是指由石油瀝青制成的超高模量纖維，這些纖維具有緊密接近三維晶體排列的內部結構，所述三維晶體取向是純石墨形式的碳的特征

原料及制造

用來制造碳纖維的原材料叫做前體，目前大約90%的碳纖維是由聚丙烯腈制成的，剩下的10%是人造絲或石油瀝青，所有這些材料都是有機聚合物，其特征是由碳原子結合在一起的長串分子，每種前體的確切組成因公司而異，這也是不同制造商的核心技術，通常是高級的商業秘密

碳纖維在制造過程中會使用各種氣體和液體，其中一些材料被設計成與纖維反應以達到特定的效果，而另外一些材料的設計則不是為了與纖維發生反應或防止與纖維發生某些反應，與前體一樣，許多這些加工材料的確切成分也是各個制造商的商業機密

首先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，在常規懸浮或溶液聚合過程中與催化劑反應，形成聚丙烯腈塑料

然后有幾種不同的方法可以將塑料紡成纖維，在某些方法中，塑料與某些化學物質混合，通過微小的射流泵入化學浸洗器或激冷室，在那里塑料凝結并凝固成纖維，這與聚丙烯纖維的形成過程相似

在其他方法中，塑料混合物被加熱并通過微小的射流泵入溶劑蒸發室，留下固體纖維，紡絲步驟很重要，因為纖維的內部原子結構是在這個過程中形成的

然后將纖維洗滌并拉伸至所需的纖維直徑，拉伸有助于使纖維內的分子對齊，并為碳化后緊密結合的碳晶體的形成提供基礎

在纖維碳化之前，需要對它們進行化學改變，以將它們的線性原子鍵合轉換為更熱穩定的梯形鍵合，該過程通過將空氣中的纖維加熱到大約200-300°C同時持續30-120分鐘來實現的

這使得纖維從空氣中吸收氧分子并重新排列它們的原子鍵模式，穩定化學反應是復雜的，包括幾個步驟，其中一些是同時發生的

過程中它們還會產生自己的熱量，必須對其進行控制，以避免纖維過熱，在商業上，穩定過程使用各種設備和技術，在某些過程中，纖維被拉過一系列加熱室

而在另一些情況下，纖維通過熱輥，并通過由熱空氣流懸浮在一起的松散材料的床層，有些過程使用加熱的空氣與某些氣體混合，以化學方式加速穩定

纖維穩定后，在充滿不含氧氣體混合物的爐中加熱至約1000-3000°C數分鐘，此時缺氧使纖維在高溫下無法燃燒，爐內的氣體壓力保持在高于外部空氣壓力的狀態，密封進入和離開爐的點以防止氧氣進入

隨著纖維被加熱，它們開始以各種氣體的形式失去其非碳原子以及一些碳原子，這些氣體包括水蒸氣，氨，一氧化碳，二氧化碳，氫氣，氮氣等

當非碳原子被排出時，剩余的碳原子形成緊密結合的碳晶體，這些碳晶體或多或少平行于纖維的長軸排列，在一些過程中，使用兩個在兩個不同溫度下操作的爐子來更好地控制碳化過程中的加熱速率

在碳化后，纖維的表面不能很好地與環氧樹脂和復合材料中使用的其他材料結合，為了使纖維具有更好的粘接性能，它們的表面被輕微氧化，同時需要向表面添加氧原子可以提供更好的化學鍵合性能，并且還可以蝕刻和粗糙表面以獲得更好的機械鍵合性能

氧化可以通過將纖維浸入各種氣體(如空氣、二氧化碳或臭氧)或各種液體(如次氯酸鈉或硝酸)中實現，還可以通過使纖維在充滿各種導電材料的槽中作為正極端子來電解涂覆纖維，表面處理過程必須小心控制，以避免形成微小的表面缺陷，如凹坑等這些這可能導致纖維失效的因素

經過表面處理后，纖維被涂上保護層，以防止在纏繞或編織過程中受損，另外選擇的涂層材料應與用于形成復合材料的粘合劑相容，典型的涂層材料包括環氧樹脂、聚酯、尼龍、聚氨酯等

接著被涂覆的纖維纏繞在稱為筒管的圓筒上，筒子裝進紡紗機，纖維被捻成各種尺寸的紗線

碳纖維的尺寸非常小，肉眼無法對其質量進行控制，那么生產一致的前體纖維并嚴格控制用于將其轉化為碳纖維的制造過程是質量控制的決定因素，同時，生產的每個階段都需要隨諸如時間、溫度、氣體流量和化學成分等過程變量進行密切的關注

最后

你在生活中都是用過哪些碳纖維產品以及對碳纖維產品的感受，歡迎討論