什么是碳纤维？是怎么来的？

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        什么是碳纤维
　　碳纤维(carbon fiber，CF) 是一种连续细丝碳材料，直径范围在6~8μm内，仅为人的头发丝的1/3左右，是近数十年来为满足高性能飞机对材料的需求而发展起来的一种新型材料。尽管碳纤维的含碳量在90%以上，但是它的制备不是直接用碳材料抽取的。碳材料不溶于任何溶剂，也不能用熔融纺丝法制取，而是由有机高分子纤维，即聚丙烯腊纤维，或石油沥青或煤沥青纤维经专门的碳化处理而制得的。用于制备碳纤维的有机纤维称为前驱体或原丝。在美国，碳纤维也被称为石墨纤维(graphite fiber)，但真正意义上的石墨纤维是将相应的有机前驱体纤维制成碳纤维后，再经2000~ 3300℃石墨化处理后而得到的纤维材料，含碳量高达99%，因此弹性模量也大为提高，用石墨纤维制造的复合材料，不仅轻质高强，而且刚性和尺寸稳定性特别好，在航天应用中，被用来制造卫星天线（解释:一种变换器)或太阳能电池矩阵。 123456
　　碳纤维的研究开发启迪于对20世纪50年代开发的玻璃纤维复合材料性能的认识和经验。通常的玻璃纤维复合材料，密度要高出碳纤维复合材料1/3 以上，而拉伸强度仅是碳纤维复合材料的2/3，模量则更低，不到1/3，满足不了高性能飞机的要求，因此研究高强、高模及低密的增强纤维成为发展高性能纤维复合材料的前提。在碳纤维之前，曾经开发过硼纤维，1960年钨(wolfram)丝芯硼纤维开始了小批量的生产，硼纤维直径约100μm，拉伸模量达400GPa，拉伸强度达3800MPa，纤维体积分数为60%的硼纤维增强环氧(Oxygen)复合材料(相对密度≈2.0)，拉伸模量达200GPa，比玻璃纤维复合材料(相对密度≈1.8)的拉伸模量(40GPa) 大5倍，比铝（Al)合金(熔点660℃)(相对密度≈2.7) 的拉伸模量(70Pa)大3倍，因此美国空军材料实验室将
　　硼（B)纤维/环氧(Oxygen)复材料(Material)命名为先进复合材料(advanced composite materials，ACM)，并于20世纪的年代后期开始了在飞机结构上的应用，如飞机水平尾翼和垂直安定面翼盒结构等。
　　但是，硼纤维生产(Produce)工艺复杂, 成本高，硼纤维本身粗硬，很难在结构上推广应用。
　　在这种背景下，于20世纪60年代后期，创新型的聚丙烯腈基碳纤维研发成功并实现批量生产，从此开始了碳纤维复合材料在航空航天领域应用的里程砷. 由于碳纡维复合材料优异的综合性能，特别是超常的高比强度和比模量，使结构的效率得以极大程度的发挥，因而到目前为止，被看成是一种理想的航空航天结构材料，近50年来，它在航空航天领域的应用得到了长足的发展。
 
　　此外，碳纤维还具有耐腐化侵蚀 、抗疲劳、耐高温、膨胀(inflate)系数小、尺寸稳定（解释:稳固安定；没有变动)性高、导电等优点。
　　目前碳纤维主要从原丝类型、使用性能方面进行分类。
　　按原丝类型分类有聚丙烯腈基纤维、沥青（成分:沥青质和树脂)基纤维、黏胶基纤维、木质素纤维基纤维和其他有机纤维基碳纤维。
　　按使用性能分则有通用级碳纤维(其拉伸强度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa)和高性能碳纤维，包括(bāo kuò)：高强型(强度2000MPa，模量250GPa)、高模型(模量300GPa以上)、超高强型(强度大于4000MPa)、超高模型(模量大于450GPa)，还有高强-高模、中强-中模等碳纤维。碳纤维配件一种含碳量在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。
　　商品化的碳纤维主流产品有两大类，一是聚丙烯腈基碳纤维(PANbaseCF)，二是沥青（成分:沥青质和树脂)基碳纤维(pitch-base CF)。
　　同玻璃纤维一样，用作增强体的碳(C)纤维可以是纤维本身，包括(bāo kuò)连续（Continuity)、长、短纤维，以及各种纤维织物、布、带、毡等。
　　如此性能良好的碳(C)纤维是怎么样制成的?
　　尽管碳(C)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(Resin)结合在一起炭化制得碳纤维。碳纤维制品就是指以碳纤维预浸布为原材料，通过不同的加工方法，加工成为能够满足使用要求的材料制品。 copyright 123456
　　被选用来制备碳(C)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(C)化四个过程，其间伴随着脱氢(Hydrogen)、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。碳纤维生产传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。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非常多，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(Resin)(Epoxy resin)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(cause)纤维颗粒之间的团聚作用力更加强。这时候，碳纤维的产品(Product)就真正做好了。
 
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