什么是碳纖維?

　　碳纖維(carbon fiber，CF) 是一種延續(xù)細(xì)絲碳材料，直徑范圍在6~8μm內(nèi)，僅為人的頭發(fā)絲的1/3左右，是近數(shù)十年來(lái)為知足高性能飛機(jī)對(duì)材料的需求而發(fā)展起來(lái)的一種新型材料。盡管碳纖維的含碳量在90%以上，但是它的制備不是直接用碳材料抽取的。碳材料不溶于任何溶劑，也不能用熔融紡絲法制取，而是由有機(jī)高分子纖維，即聚丙烯臘纖維，或石油瀝青或煤瀝青纖維經(jīng)專(zhuān)門(mén)的碳化處理而制得的。用于制備碳纖維的有機(jī)纖維稱(chēng)為前驅(qū)體或原絲。在美國(guó)，碳纖維也被稱(chēng)為石墨纖維(graphite fiber)，但真正意義上的石墨纖維是將響應(yīng)的有機(jī)前驅(qū)體纖維制成碳纖維后，再經(jīng)2000~ 3300℃石墨化處理后而得到的纖維材料，含碳量高達(dá)99%，因此彈性模量也大為進(jìn)步，用石墨纖維制造的復(fù)合材料，不僅輕質(zhì)高強(qiáng)，而且剛性和尺寸穩(wěn)固性分外好，在航天應(yīng)用中，被用來(lái)制造衛(wèi)星天線或太陽(yáng)能電池矩陣。

　　碳纖維的研究開(kāi)發(fā)啟迪于對(duì)20世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā)的玻璃纖維復(fù)合材料性能的熟悉和經(jīng)驗(yàn)。通常的玻璃纖維復(fù)合材料，密度要高出碳纖維復(fù)合材料1/3 以上，而拉伸強(qiáng)度僅是碳纖維復(fù)合材料的2/3，模量則更低，不到1/3，知足不了高性能飛機(jī)的要求，因此研究高強(qiáng)、高模及低密的加強(qiáng)纖維成為發(fā)展高性能纖維復(fù)合材料的前提。在碳纖維之前，曾經(jīng)開(kāi)發(fā)過(guò)硼纖維，1960年鎢絲芯硼纖維開(kāi)始了小批量的生產(chǎn)，硼纖維直徑約100μm，拉伸模量達(dá)400GPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)3800MPa，纖維體積分?jǐn)?shù)為60%的硼纖維加強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料(相對(duì)密度≈2.0)，拉伸模量達(dá)200GPa，比玻璃纖維復(fù)合材料(相對(duì)密度≈1.8)的拉伸模量(40GPa) 大5倍，比鋁合金(相對(duì)密度≈2.7) 的拉伸模量(70Pa)大3倍，因此美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室將

　　硼纖維/環(huán)氧復(fù)材料命名為先輩復(fù)合材料(advanced composite materials，ACM)，并于20世紀(jì)的年代后期開(kāi)始了在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，如飛機(jī)水平尾翼和垂直安定面翼盒結(jié)構(gòu)等。

　　但是，硼纖維生產(chǎn)工藝復(fù)雜, 成本高，硼纖維自己粗硬，很難在結(jié)構(gòu)上推廣應(yīng)用。

　　在這種背景下，于20世紀(jì)60年代后期，創(chuàng)新型的聚丙烯腈基碳纖維研發(fā)成功并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，從此開(kāi)始了碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的里程砷. 因?yàn)樘技u維復(fù)合材料優(yōu)秀的綜合性能，分外是超常的高比強(qiáng)度和比模量，使結(jié)構(gòu)的服從得以極大程度的發(fā)揮，因而到目前為止，被看成是一種理想的航空航天結(jié)構(gòu)材料，近50年來(lái)，它在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

　　此外，碳纖維還具有耐腐蝕、抗委靡、耐高溫、膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)固性高、導(dǎo)電等好處。

　　目前碳纖維重要從原絲類(lèi)型、使用性能方面進(jìn)行分類(lèi)。

　　按原絲類(lèi)型分類(lèi)有聚丙烯腈基纖維、瀝青基纖維、黏膠基纖維、木質(zhì)素纖維基纖維和其他有機(jī)纖維基碳纖維。

　　按使用性能分則有通用級(jí)碳纖維(其拉伸強(qiáng)度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa)和高性能碳纖維，包括：高強(qiáng)型(強(qiáng)度2000MPa，模量250GPa)、高模型(模量300GPa以上)、超高強(qiáng)型(強(qiáng)度大于4000MPa)、超高模型(模量大于450GPa)，還有高強(qiáng)-高模、中強(qiáng)-中模等碳纖維。

　　商品化的碳纖維主流產(chǎn)品有兩大類(lèi)，一是聚丙烯腈基碳纖維(PANbaseCF)，二是瀝青基碳纖維(pitch-base CF)。

　　同玻璃纖維一樣，用作加強(qiáng)體的碳纖維可以是纖維自己，包括延續(xù)、長(zhǎng)、短纖維，以及各種纖維織物、布、帶、氈等。

　　如此性能優(yōu)秀的碳纖維是怎樣制成的?

　　盡管碳纖維重要由碳組成，微觀結(jié)構(gòu)也和石墨特別很是接近;然而，人們至今還不能直接用碳或石墨來(lái)制取碳纖維，只能采用一些含碳的有機(jī)纖維質(zhì)料，將有機(jī)纖維與塑料樹(shù)脂結(jié)合在一路炭化制得碳纖維。

　　被選用來(lái)制備碳纖維的有機(jī)纖維重要包括:聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維等，其中應(yīng)用較普遍的是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。選用不同的有機(jī)纖維作為質(zhì)料，對(duì)詳細(xì)的工藝參數(shù)會(huì)有不同的要求，制備出來(lái)的碳纖維的性能也會(huì)有肯定的差異。

　　然而，在這過(guò)程中，普遍必要經(jīng)歷纖維紡絲、熱穩(wěn)固化(預(yù)氧化)、氧化、碳化四個(gè)過(guò)程，其間伴隨著脫氫、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等化學(xué)轉(zhuǎn)變。經(jīng)過(guò)這些過(guò)程以后，我們就可以得到碳纖維的原絲。

　　然而，制備出原絲并不意味著制備碳纖維的過(guò)程就結(jié)束了。制備出原絲后，還必要經(jīng)過(guò)上漿和固化的過(guò)程。所謂的上漿就是將原絲和環(huán)氧樹(shù)脂混合的過(guò)程。上漿過(guò)程使用的方法可以許多，可以通過(guò)主動(dòng)放置機(jī)械會(huì)將碳纖維浸泡在環(huán)氧樹(shù)脂中，也可以人工地將環(huán)氧樹(shù)脂和其他高分子與碳纖維混合起來(lái)。

　　上漿結(jié)束后，就必要經(jīng)過(guò)最后的一個(gè)程序，那就是固話。固化過(guò)程常用到的方法是加熱，或者將環(huán)氧樹(shù)脂放在真空中加壓。固化重要是讓包裹了環(huán)氧樹(shù)脂的碳纖維硬化;此外，在固化過(guò)程中，碳纖維可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成原絲材料中不含碳的物質(zhì)，導(dǎo)致纖維顆粒之間的團(tuán)圓作用力更增強(qiáng)。這時(shí)候，碳纖維的產(chǎn)品就真正做好了。