碳纤维主题汇总 - 中华DIY论坛

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。本期专题将为大家揭开碳纤维制造的神秘面纱。

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。

　　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。

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，那就是固话。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。

经过本期的专题介绍，相信大家对于碳纤维是如何被制造出来有了一个感性的认识，欢迎大家就本期专题跟帖讨论。下期专题为碳纤维发展历史。

1860年，英国人约瑟夫·斯旺将细长的绳状纸片碳化制取碳丝，并以此制作电灯的灯丝，但这项发明未能成功。至1879年，美国人爱迪生将油烟和焦油的混合物做成丝，再碳化制成灯丝，并解决了电灯的相应使用问题，碳丝才在电灯上得到应用。虽然这种碳纤维最终被钨丝等材料所代替，但是它的特点比如密度小，模量高，耐酸碱，耐氧化是以往的材料所不能比拟的，后来人们不断探索用其它方法来制造碳纤维。

20世纪50年代，美国为了研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机的性能，急需新型结构材料和耐烧蚀材料，使得碳纤维重新出现在新材料的舞台上。

美国最先开发出粘胶基碳纤维，应用于耐烧蚀和隔热材料。由于在航空和军事方面的大量应用及性能的不断提升，使得粘胶基碳纤维在一段时间里处于鼎盛时期。但后来陆续开发出更优越的碳纤维，粘胶基碳纤维的产量减少了。

粘胶基碳纤维发展的同时，在1959年，日本大阪工业试验所的近藤昭男发明了利用聚丙烯腈纤维制造碳纤维的新方法。这一创新促进了碳纤维工业的大发展，成为当前碳纤维的主流。他发明了生产碳纤维新的技术路线，但是并不能制造出高性能的PAN基碳纤维。1963年，英国航空研究所（RAE）的瓦特（W.Wat）等人在预氧化过程中施加张力，抑制原丝在热处理过程中的收缩，奠定了现代生产PAN基碳纤维的工艺基础。约翰逊（W2Johnson）等人改进预氧化装置，他们打通了制造高性能PAN基碳纤维的技术路线。

1965年，日本群马大学的大谷衫郎研制沥青基碳纤维，并获得成功。使得沥青成为生产碳纤维的新原料，并成为当前碳纤维领域仅次于PAN基碳纤维的第二大原料路线。1970年，日本吴羽化学工业公司生产的通用级沥青基碳纤维上市。1975年，UCC开始高性能中间相碳纤维“Thomel-P55”的研制，并取得成功。目前Thomel-P系列高性能沥青碳纤维仍是沥青基碳纤维中最好的产品。

碳纤维从诞生发展至今，经历了几起几落。这既是优胜劣汰促进碳纤维工业发展的必然规律，也是市场经济的无情裁决。20世纪60年代PAN基碳纤维的研制中心在英国，并且得到了很大的发展。但是在激烈的市场竞争中，因为种种原因，碳纤维的研制和生产中心发生转移。目前世界PAN基碳纤维生产厂商主要集中在日本和美国。日本三大碳纤维生产商东丽集团、东邦集团和三菱集团为最大的生产商，三家公司合计产能占全球产能的70%以上。其中东丽集团的产能最大，并且主要集中在高性能的小丝束的生产。同时东丽的碳纤维的性能一直处于前列，堪称是碳纤维行业的领头羊。其最早开发出的T300系碳纤维强度达到3.54Gpa，现在已逐步要被强度为4.92GPa的T700系碳纤维代替。

到了21世纪初，聚丙烯腈碳纤维工艺生产技术已经成熟。现在已分化成为大丝束碳纤维生产和小丝束碳纤维生产两大种类。大丝束生产对前驱体要求较低，产品成本低，较适合一般民用工业使用和产品开发。小丝束生产追求高性能化，代表碳纤维发展的先进水平。对于高性能PAN基碳纤维，美、日等发达国家均极为重视，在研发、生产方面给予经费、人力上的大力支持，并获得成功。

碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,是一种的力学性能优异的新材料。在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，被称为新材料之王。具体特性可归纳如下：

碳纤维的密度是1.6~2.15g/cm3,碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上，拉伸模量在230GPa以上。因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。

绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室温为负数(-0.5~-1.6)×10-6/K，在200~400℃时为零，在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可作为标准衡器具。

通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。

从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对各种酸、碱和有机化学药品都很稳定，可制成各种各样的化工防腐制品。我国已开始从事这方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广。

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2017-6-26 09:21 上传

碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时仍无太大变。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右；陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料已广泛用于航空航天工业。

碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环试验后，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻璃钢则只有20%~25%。因此设计制品所取的安全系数，碳纤维复合材料为最低。

随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐，对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。

既坚如磐石，又韧如发丝，它是自古以来人类在材料领域孜孜以求的品质。

　　碳纤维(carbon fiber，CF)，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

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