碳纤维你知道怎么做出来的吗
2024-12-31 16:28:31
在当今科技飞速发展的时代，碳纤维材料以其卓越的性能成为众多领域的宠儿。它具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀等诸多优点，广泛应用于航空航天、汽车制造、体育用品等领域。那么，碳纤维是怎么做出来的呢？让我们一起探寻碳纤维的产生、发展以及制备方法和应用。
图1 碳纤维灯丝
碳纤维的历史可以追溯到 19 世纪末期。1860 年，英国人约瑟夫·斯旺在制作灯泡灯丝时发明了碳纤维。然而，当时的碳纤维性能并不理想，未能得到广泛应用。直到 20 世纪中叶，随着航空航天技术的迅速发展，对高性能材料的需求日益迫切。碳纤维因其优异的性能逐渐受到关注。1959 年，日本大阪工业试验所的进藤昭男发明了用聚丙烯腈（PAN）为原料制取碳纤维的方法，为碳纤维的大规模生产奠定了基础。此后，碳纤维的技术不断进步，性能不断提高。在航空航天领域，碳纤维复合材料逐渐取代传统的金属材料，成为飞机、卫星等航天器的重要结构材料。在汽车制造领域，碳纤维的应用也越来越广泛，不仅可以减轻汽车重量，提高燃油效率，还能增强汽车的安全性和舒适性。在体育用品领域，碳纤维更是成为高端产品的代名词，如高尔夫球杆、自行车、网球拍等。碳纤维的制备方法主要有三种：聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中，PAN 基碳纤维是目前应用最广泛、性能最好的一种碳纤维。首先，将丙烯腈单体通过聚合反应生成聚丙烯腈（PAN）。聚合反应通常在溶剂中进行，常用的溶剂有二甲基亚砜（DMSO）、二甲基甲酰胺（DMF）等。聚合反应的条件如温度、压力、引发剂等对 PAN 的性能有很大影响将聚合后的 PAN 溶液通过纺丝工艺制成 PAN 纤维。纺丝方法主要有湿法纺丝和干法纺丝两种。湿法纺丝是将 PAN 溶液通过喷丝孔挤出到凝固浴中，使 PAN 溶液中的溶剂与凝固浴中的凝固剂发生交换，从而使 PAN 凝固成纤维。干法纺丝是将 PAN 溶液通过喷丝孔挤出到热空气中，使溶剂迅速挥发，从而使 PAN 凝固成纤维。PAN 纤维在高温下容易燃烧，因此需要进行预氧化处理。预氧化处理是将 PAN 纤维在空气中加热到 200-300℃，使 PAN 分子发生环化、氧化等反应，形成耐热的梯形结构。预氧化处理的时间、温度、气氛等条件对碳纤维的性能有很大影响。预氧化后的纤维在惰性气氛中加热到 1000-2000℃，进行碳化处理。在碳化过程中，纤维中的非碳原子（如氢、氧等）被逐渐去除，形成碳纤维。碳化处理的温度、时间、气氛等条件对碳纤维的性能有很大影响。对于高性能的碳纤维，还需要进行石墨化处理。石墨化处理是将碳化后的纤维在惰性气氛中加热到 2500-3000℃，使碳纤维的晶体结构更加完善，提高碳纤维的模量。石墨化处理的温度、时间、气氛等条件对碳纤维的性能有很大影响。
图2 PAN基碳纤维制备流程
沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料制备的碳纤维。其制备方法主要有以下几个步骤：将石油沥青或煤沥青进行调制，去除杂质，提高沥青的软化点和粘度。将调制后的沥青通过纺丝工艺制成沥青纤维。纺丝方法主要有熔融纺丝和溶液纺丝两种。熔融纺丝是将沥青加热到熔融状态，通过喷丝孔挤出成纤维。溶液纺丝是将沥青溶解在溶剂中，通过喷丝孔挤出到凝固浴中，使沥青凝固成纤维。沥青纤维在空气中加热到 200-400℃，进行不熔化处理。在不熔化处理过程中，沥青纤维中的小分子发生交联反应，形成耐热的结构。不熔化处理的时间、温度、气氛等条件对碳纤维的性能有很大影响。不熔化后的纤维在惰性气氛中加热到 1000-2000℃，进行碳化处理。在碳化过程中，纤维中的非碳原子被逐渐去除，形成碳纤维。碳化处理的温度、时间、气氛等条件对碳纤维的性能有很大影响。粘胶基碳纤维是以粘胶纤维为原料制备的碳纤维。其制备方法主要有以下几个步骤：将纤维素原料（如木浆、棉浆等）通过化学处理制成粘胶纤维。粘胶纤维在空气中加热到 200-300℃，进行预氧化处理。在预氧化处理过程中，粘胶纤维中的纤维素分子发生环化、氧化等反应，形成耐热的结构。预氧化处理的时间、温度、气氛等条件对碳纤维的性能有很大影响。预氧化后的纤维在惰性气氛中加热到 1000-2000℃，进行碳化处理。在碳化过程中，纤维中的非碳原子被逐渐去除，形成碳纤维。碳化处理的温度、时间、气氛等条件对碳纤维的性能有很大影响。
图3 中国近地卫星
在航空航天领域，碳纤维复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，被广泛应用于飞机、卫星等航天器的结构材料。例如，波音 787 飞机的机身和机翼大量采用了碳纤维复合材料，使飞机的重量减轻了 20%，燃油效率提高了 20%。在汽车制造领域，碳纤维的应用可以减轻汽车重量，提高燃油效率，增强汽车的安全性和舒适性。例如，宝马 i3 电动汽车的车身采用了碳纤维复合材料，使汽车的重量减轻了 300 公斤，续航里程增加了 30%。在体育用品领域，碳纤维以其高强度、高模量、低密度等优点，成为高端产品的代名词。例如，高尔夫球杆、自行车、网球拍等体育用品大量采用了碳纤维材料，提高了产品的性能和品质。在建筑领域，碳纤维可以用于加固混凝土结构，提高建筑物的抗震性能和耐久性。例如，在地震灾区的建筑物修复中，碳纤维布被广泛应用于加固混凝土梁、柱等结构。碳纤维还在医疗器械、电子设备、能源等领域有着广泛的应用。例如，碳纤维可以用于制造人工关节、假肢等医疗器械；可以用于制造手机、电脑等电子设备的外壳；可以用于制造风力发电机的叶片等。
