碳纤维：生产、特性和潜在用途

介绍

碳纤维或碳纤维是直径约为 5-10 微米的纤维，主要由碳原子组成。碳纤维具有高刚度、高拉伸强度、低重量、高耐化学性、耐高温和低热膨胀等优点。这些特性使碳纤维在航空航天、土木工程、军事和赛车运动以及其他竞技运动中非常受欢迎。但是，与玻璃纤维或塑料纤维等类似纤维相比，它们相对昂贵。

分类和类型

根据模量、强度和最终热处理温度，碳纤维可分为以下几类：

根据碳纤维的特性，碳纤维可分为：

• 超高模量 UHM 型 （模量 >450Gpa）
• 高模量，HM 型（模量在 350-450Gpa 之间）
• 中间模量，IM 型（模量在 200-350Gpa 之间）
• 低模量、高拉伸型 HT（模量< 100Gpa，拉伸强度 > 3.0Gpa）
• 超高强度 SHT 型（拉伸强度 > 4.5Gpa）

根据前驱体纤维材料，碳纤维分为：

• PAN 基碳纤维
• 沥青基碳纤维
• 中间相沥青基碳纤维
• 各向同性沥青基碳纤维
• 人造丝基碳纤维
• 气相生长碳纤维

根据最终热处理温度，碳纤维分为：

• I 型，高热处理碳纤维 （HTT），最终热处理温度应高于 2000°C，并且可以与高模量型纤维相关联。
• II 型中热处理碳纤维 （IHT），最终热处理温度应在 1500°C 左右或更高，并且可以与高强度型纤维相关联。
• III 型低热处理碳纤维，最终热处理温度不高于 1000°C。 这些是低模量和低强度的材料。

制造工艺

聚丙烯腈 （PAN） 碳纤维：

原材料

用于制造碳纤维的原材料称为前驱体。大约 90% 的碳纤维是由聚丙烯腈制成的。其余 10% 由人造丝或石油沥青制成。所有这些材料都是有机聚合物，其特征是用碳原子结合在一起的长分子串。每种前体的确切成分因公司而异，通常被视为商业秘密。在制造过程中，会使用各种气体和液体。其中一些材料旨在与纤维发生反应以达到特定效果。其他材料的设计不会与纤维发生反应或防止与纤维发生某些反应。与前体一样，许多这些工艺材料的确切成分被视为商业机密。

制造工艺 PAN

纺纱

• 丙烯腈塑料粉末与另一种塑料（如丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯）混合，并在常规悬浮或溶液聚合过程中与催化剂反应，形成聚丙烯腈塑料。
• 然后使用几种不同方法中的一种将塑料纺成纤维。在某些方法中，塑料与某些化学物质混合，并通过微小的射流泵入化学浴或淬火室，塑料在那里凝结并凝固成纤维。这类似于用于形成聚丙烯酸纺织纤维的工艺。在其他方法中，塑料混合物被加热并通过微小的射流泵入腔室，溶剂在那里蒸发，留下固体纤维。纺纱步骤很重要，因为纤维的内部原子结构是在此过程中形成的。
• 然后，纤维被洗涤并拉伸至所需的纤维直径。拉伸有助于排列纤维内的分子，并为碳化后形成紧密结合的碳晶体提供基础。

稳定

在纤维碳化之前，需要对它们进行化学改变，以将其线性原子键转换为热稳定性更高的阶梯键。这是通过将空气中的纤维加热到约 390-590° F （200-300° C） 30-120 分钟来实现的。这导致纤维从空气中吸收氧分子并重新排列它们的原子键合模式。稳定化学反应很复杂，涉及多个步骤，其中一些步骤同时发生。它们也会产生自己的热量，必须控制热量以避免纤维过热。在商业上，稳定化过程使用各种设备和技术。在某些工艺中，纤维通过一系列加热室被拉取。在其他应用中，纤维通过热辊和由热空气流悬浮的松散材料床。一些工艺使用与某些气体混合的热空气，这些气体会以化学方式加速稳定化。

碳化

纤维稳定后，在充满不含氧气的气体混合物的炉中将其加热至约 1,830-5,500° F （1,000-3,000° C） 的温度几分钟。缺氧可以防止纤维在非常高的温度下燃烧。炉内的气体压力保持高于外部气压，纤维进出炉口的点被密封，以防止氧气进入。当纤维被加热时，它们开始以各种气体的形式失去非碳原子和一些碳原子，包括水蒸气、氨、一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气等。随着非碳原子的排出，剩余的碳原子形成紧密结合的碳晶体，这些碳晶体或多或少平行于纤维的长轴排列。在某些工艺中，使用在两种不同温度下运行的两个炉子，以更好地控制碳化过程中的脱热速率。

表面处理

碳化后，纤维的表面不能很好地与复合材料中使用的环氧树脂和其他材料粘合。为了使纤维具有更好的粘合性能，它们的表面被轻微氧化。向表面添加氧原子可提供更好的化学键合性能，并且还会蚀刻和粗糙表面以获得更好的机械键合性能。通过将纤维浸入空气、二氧化碳或臭氧等各种气体中，可以实现氧化;或各种液体，如次氯酸钠或硝酸。纤维还可以通过在充满各种导电材料的浴中使纤维成为正极端子来进行电解涂层。必须仔细控制表面处理过程，以避免形成微小的表面缺陷，例如凹坑，这可能会导致纤维失效。

上浆

• 表面处理后，对纤维进行涂层处理，以保护它们在缠绕或编织过程中免受损坏。此过程称为调整大小。选择涂层材料应与用于形成复合材料的胶粘剂相容。典型的涂层材料包括环氧树脂、聚酯、尼龙、聚氨酯等。
• 8 涂层纤维缠绕在称为线轴的圆柱体上。筒子被装入纺纱机，纤维被加捻成各种尺寸的纱线。

性能

• 碳纤维具有高强度重量比（也称为比强度）

材料的强度是失效时每单位面积的力除以其密度。任何坚固且轻便的材料都具有良好的强度/重量比。铝、钛、镁、碳纤维和玻璃纤维、高强度钢合金等材料都具有良好的强度重量比。

• 碳纤维非常坚硬

材料的刚度或刚度通过其杨氏模量来衡量，并测量材料在应力下挠曲的程度。碳纤维增强塑料的刚度是玻璃增强塑料的 4 倍以上，几乎是松木的 20 倍，是铝的 2.5 倍。

• 碳纤维耐腐蚀且化学稳定性好

虽然碳纤维本身不会变质，但环氧树脂对阳光敏感，需要保护。其他基质（无论碳纤维嵌入什么）也可能是反应性的。

• 碳纤维是导电的

此功能可能很有用，但很麻烦。在造船业中，必须考虑到铝的导电性。碳纤维导电性会促进配件中的电偶腐蚀。仔细安装可以减少此问题。

• 抗疲劳性好

碳纤维复合材料的抗疲劳性很好。然而，当碳纤维失效时，它通常会发生灾难性的失效，而不会有太多东西来宣布它即将断裂。拉伸疲劳的损伤被视为刚度随着应力循环次数的增加而降低（除非温度很高）测试表明，当循环应力与纤维取向一致时，失效不太可能成为问题。碳纤维在疲劳强度、静态强度和刚度方面优于 E 玻璃。

• 碳纤维具有良好的拉伸强度

拉伸强度或极限强度是材料在颈缩或失效之前被拉伸或拉动时可以承受的最大应力。颈缩是指样品横截面开始显著收缩。如果你拿一条塑料袋，它会拉伸，并在某一点开始变窄。这是 necking。它以每单位面积的力来衡量。由于内部缺陷，碳纤维等脆性材料并不总是在相同的应力水平下失效。它们在小应变下失败。

测试包括取具有固定横截面积的样品，然后逐渐拉动它，增加力，直到样品改变形状或断裂。纤维（例如碳纤维）的直径仅为 2/10,000 英寸，被制成适当形状的复合材料以进行测试。

• 耐火性/不燃

根据制造工艺和前驱体材料的不同，碳纤维可能非常柔软，可以制成或更常集成到消防防护服中。镀镍纤维就是一个例子。因为碳纤维在化学性质上也非常惰性，所以可以在有火和腐蚀剂的地方使用。

• 碳纤维的导热系数

导热系数是在稳定条件下，由于单位温度梯度，沿垂直于单位面积表面的方向通过单位厚度传递的热量。换句话说，它是衡量热量流经材料的难易程度的指标。

由于碳纤维的主题有很多变化，因此无法准确确定导热系数。特殊类型的碳纤维专为高导热性或低导热性而设计。还有一些努力来增强此功能。

• 低热膨胀系数

这是衡量材料在温度升高或下降时膨胀和收缩的量度。单位以英寸/英寸 F 为单位，与其他表格一样，单位不如比较重要。在足够高的桅杆中，各种材料的热膨胀系数差异可以略微改变钻机的张力。低热膨胀系数使碳纤维适用于小运动可能至关重要的应用。望远镜和其他光学机械就是这样一种应用。

• 无毒、生物惰性、X 射线渗透性

这些品质使碳纤维在医疗应用中非常有用。假体使用、植入物和肌腱修复、X 射线配件手术器械都在开发中。虽然无毒，但碳纤维可能非常刺激，需要限制长期无保护的暴露。然而，环氧树脂或聚酯基质可能有毒，需要适当小心。

• 碳纤维相对昂贵

尽管它具有强度、刚度和减轻重量的特殊优势，但成本是一个障碍。除非重量优势特别重要，例如在航空应用或赛车中，否则通常不值得额外花费。碳纤维的低维护要求是另一个优势。

酷和时尚很难量化。碳纤维的光环和声誉使消费者愿意为拥有它的声望支付更多费用。与玻璃纤维相比，您可能需要更少的它，这可能是一个节省。

• 碳纤维很脆

纤维中的层由强共价键形成。片状聚集体很容易允许裂纹的扩展。当纤维弯曲时，它们在非常低的应变下失效。

应用

碳纤维的特点和应用

碳纤维技术的最新发展是称为纳米管的微型碳管。这些空心管，有些直径小至 0.00004 英寸（0.001 毫米），具有独特的机械和电气特性，可用于制造新的高强度纤维、亚微观试管或可能用于集成电路的新型半导体材料。