碳纤维是如何制成的？
碳纤维 也称为石墨纤维或碳石墨，由非常细的碳元素链组成。这些纤维具有很高的拉伸强度，并且对于它们的尺寸来说非常坚固。事实上，一种形式的碳纤维——碳纳米管——被认为是最坚固的材料。碳纤维应用包括建筑、工程、航空航天、高性能车辆、运动器材和乐器。在能源领域，碳纤维用于生产风车叶片、天然气储存和运输燃料电池。在飞机工业中，它在军用和商用飞机以及无人驾驶飞行器中都有应用。对于石油勘探，它用于制造深水钻井平台和管道。
速览：碳纤维统计
每根碳纤维的直径为 5 到 10 微米。为了让您了解它有多小，一微米 (um) 是 0.000039 英寸。单股蜘蛛网丝通常在三到八微米之间。
碳纤维的硬度是钢的两倍，强度是钢的五倍（每单位重量）。它们还具有高度的耐化学性和耐高温性和低热膨胀性。
原料
碳纤维由有机聚合物制成，有机聚合物由碳原子连接在一起的长链分子组成。大多数碳纤维（约 90%）由聚丙烯腈 (PAN) 工艺制成。少量（约 10%）由人造丝或石油沥青工艺制成。
制造过程中使用的气体、液体和其他材料会产生特定的碳纤维效果、质量和等级。碳纤维制造商对其生产的材料使用专有配方和原材料组合，通常，他们将这些特定配方视为商业机密。
最高级的碳纤维具有最有效模量（用于表示物质具有特定属性（例如弹性）的数值程度的常数或系数）性能的最高级碳纤维用于要求苛刻的应用，例如航空航天。
制造工艺
制造碳纤维涉及化学和机械过程。被称为前体的原材料被拉长成长股，然后在厌氧（无氧）环境中加热到高温。极热不是燃烧，而是导致纤维原子剧烈振动，几乎所有非碳原子都被排出。
碳化过程完成后，剩余的纤维由长而紧密的碳原子链组成，几乎没有或没有非碳原子。这些纤维随后被织成织物或与其他材料结合，然后用细丝缠绕或模压成所需的形状和尺寸。
以下五个部分是用于制造碳纤维的 PAN 工艺中的典型部分：
1.纺纱，PAN 与其他成分混合并纺成纤维，然后进行洗涤和拉伸。
2.稳定，纤维经过化学变化以稳定粘合。
3.碳化，稳定的纤维被加热到非常高的温度，形成紧密结合的碳晶体。
4.纤维表面，被氧化以改善粘合性能。
5.浆纱，纤维被涂覆并缠绕在筒子上，筒子被装载到纺纱机上，将纤维捻成不同尺寸的纱线。除了编织成织物，纤维还可以形成复合材料，使用热、压力或真空将纤维与塑料聚合物粘合在一起。
碳纳米管是通过与标准碳纤维不同的工艺制造的。据估计，纳米管的强度是其前体的 20 倍，纳米管是在使用激光蒸发碳颗粒的熔炉中锻造而成。
制造碳纤维中存在的挑战
碳纤维的制造面临许多挑战，包括：
需要更具成本效益的恢复和维修
某些应用的制造成本不可持续：例如，尽管新技术正在开发中，但由于成本过高，碳纤维在汽车行业的使用目前仅限于高性能和豪华汽车。
必须仔细调节表面处理过程，以避免产生导致缺陷纤维的凹坑。
需要密切控制以确保始终如一的质量
健康和安全问题，包括皮肤和呼吸刺激
由于碳纤维的强导电性，电气设备中的电弧和短路
碳纤维的未来
随着碳纤维技术的不断发展，碳纤维的可能性只会越来越多样化。
