碳纤维材料的种类及常见应用

碳纤维是如何制成的？

碳纤维的制造过程部分是化学的，部分是机械的。以下是碳纤维制造过程的详细描述：

步骤 1：准备原材料或前体

要制造碳纤维，必须使用有机聚合物前体。前体是指用于生产碳纤维的原材料。制造的碳纤维中约 90% 源自聚丙烯腈 (PAN)。其余 10% 的碳纤维由人造丝或石油沥青制成。这些原材料被归类为有机聚合物，其特点是由碳原子结合在一起的长链分子。 

步骤 2：稳定和碳化纤维

制备前体后，将其拉成长纤维。碳纤维制造过程从碳化开始。在碳化之前，必须对纤维进行化学改变，以将其线性原子键合转变为更热稳定的梯形键合。这是通过将纤维在空气中加热到大约 390-590°F (200-300°C) 并持续 30-120 分钟来完成的。这会导致纤维从空气中吸收氧分子，从而导致其原子键合模式重新排列。  

纤维稳定后，将其放入充满无氧气体混合物的炉子中加热到 1,830-5,500°F (1,000-3,000°C) 左右，持续几分钟。在极高的温度下，氧气的缺失可防止纤维燃烧。当纤维被加热时，它们会失去非碳原子。然后，剩余的碳原子形成紧密结合的碳晶体，与纤维的长轴平行排列。 

步骤 3：处理纤维表面 

碳化过程之后，纤维表面无法与环氧树脂和复合材料中使用的其他物质很好地结合。在这种情况下，纤维表面会略微氧化，以改善粘合性能。在表面引入氧原子可增强化学粘合性能，此外还可蚀刻和粗糙化表面，以改善机械粘合性能。 

通过将纤维浸入空气、二氧化碳或臭氧等不同气体以及次氯酸钠或硝酸等液体中，可使纤维氧化。或者，也可以将纤维置于含有各种导电物质的浴槽中，使之成为正极，从而对纤维进行电解涂覆。 

步骤 4：调整纤维尺寸

表面处理后，在纤维上涂上保护涂层，以防止在缠绕或编织时损坏。这称为上浆。涂层材料的选择取决于它们与用于制造复合材料的粘合剂的兼容性。常用的涂层材料包括一系列物质，例如环氧树脂、聚酯、尼龙、聚氨酯等。

然后，将涂层纤维小心地卷绕在称为线轴的圆筒上。将线轴放入纺纱机，纤维在纺纱机中经过加捻过程，形成不同大小的纱线。

碳纤维简史和背景

1860 年，约瑟夫·斯旺首次成功制造出碳纤维，随后用于生产灯泡。1879 年，托马斯·爱迪生采用高温烘烤棉线或竹片的工艺，将这些材料碳化为全碳灯丝。这种灯丝随后被用于首批设计为用电加热的白炽灯泡之一。1880 年，刘易斯·拉蒂默为白炽灯泡生产出可靠的碳丝灯丝，该灯泡用电加热。

1958 年，罗杰·培根在俄亥俄州克利夫兰郊外的联合碳化物帕尔马技术中心开发出高性能碳纤维。这种纤维的生产需要加热人造丝直至其碳化。然而，碳纤维的脆性长期限制了它的应用。从那时起，碳纤维的制造变得更加高效。碳纤维的抗拉强度为 4,000 MPa，模量为 400 GPa。这使其用途扩展到了广泛的应用领域。

碳纤维的特性

碳纤维比金属更轻、更坚固，用途广泛。其优异的性能适合许多结构、汽车、航空航天和特殊应用。让我们仔细看看这些特性。

高强度重量比

碳纤维的特点之一是其高强度重量比。碳纤维非常坚固、坚硬且轻便。任何材料如果坚固且轻便，则具有高强度重量比。具有高强度重量比的材料包括铝、钛、镁、碳和玻璃纤维以及高强度钢合金。

导电

碳纤维丝具有导电性，因此可用于防雷等应用。然而，碳纤维的导电性可能会加速配件中的电化学腐蚀。通过仔细安装可以减少此问题。

耐腐蚀、化学稳定性

虽然碳纤维不易老化，但需要注意的是，环氧树脂（碳纤维复合材料中常用的一种材料）容易受到阳光的损害，需要加以保护。碳纤维嵌入的其他基质可能会表现出反应性。

僵硬或坚硬

材料的刚度或硬度可以通过其杨氏模量来衡量，杨氏模量表征材料在受到压力时变形的程度。碳纤维增强塑料的硬度是玻璃增强塑料的 4 倍以上，是松木的 20 倍，是铝的 2.5 倍。 

抗疲劳性

碳纤维比玻璃纤维等复合材料具有更好的抗疲劳性和损伤容限。拉伸疲劳损伤表现为随着应力循环的增加，刚度降低。当循环应力与纤维取向一致时，不可能出现故障。

抗拉强度

抗拉强度是指材料在收缩或断裂前拉伸或拉动时可承受的最大应力。由于碳纤维内部存在缺陷，因此它们并不总是在相同的应力水平下断裂。但微小的应变就会导致它们断裂。

低热膨胀

与金属相比，碳纤维的热膨胀系数非常低。这意味着用碳纤维制成的部件由于温度变化而发生的尺寸变化很小。碳纤维的热膨胀系数低，使其成为需要小运动的情况的理想选择。 

无毒且可透过 X 射线

碳纤维复合材料无毒，X射线可穿透。这使得碳纤维适用于医疗应用，例如假肢、植入物、肌腱修复、X射线配件、手术器械等。 

不易燃

碳纤维可以集成到消防防护服中。一个例子是镀镍纤维。由于碳纤维具有化学惰性，因此可以在涉及火灾和腐蚀剂的情况下使用。 

脆

强共价键在纤维中形成层状结构。片状聚集体很容易促进裂纹的扩展。当纤维弯曲时，它们会在低应变下断裂。

碳纤维的类型

根据原材料、力学性能、最终热处理温度，碳纤维可分为以下几类：

根据原材料分类

根据原材料，碳纤维可分为两类。

• PAN基碳纤维是由PAN（聚丙烯腈）前驱体碳化而成，具有较高的拉伸强度和弹性模量，广泛应用于航天、工业领域、体育/休闲产品等结构材料复合材料。
• 沥青基碳纤维是另一种纤维。这种碳纤维由石油/煤沥青前体碳化而成，具有从低弹性模量到超高弹性模量的多种特性。具有超高弹性模量的纤维广泛用于高刚度部件和其他需要高导热性或导电性的应用。

根据机械性能分类

• 超高弹性模量型（UHM）这种类型的拉伸弹性模量等于或超过 600 GPa。其拉伸强度为 2,500 MPa 或以上。超高模量碳纤维专门用于最先进的工程应用，这些应用需要极高的单位重量刚度，例如卫星、无人机和竞技运动器材。
• 高弹性模量型（HM）的拉伸弹性模量范围为 350 至 600 GPa。其拉伸强度至少为 2,500 MPa。它通常用于航空航天、汽车和高级体育用品。高弹性模量碳纤维可以制造轻质部件，而不会影响强度。
• 中等弹性模量型 (IM)的拉伸弹性模量范围在 280 至 350 GPa 之间。这种材料的拉伸强度等于或超过 3,500 MPa。它用于需要增强性能的行业，例如航空航天、汽车和运动器材制造。
• 标准弹性模量类型 (HT)是标准弹性模量类型，通常称为 HT。拉伸弹性模量的范围在 200 至 280 GPa 之间。该材料的拉伸强度估计至少为 2,500 MPa 或以上。它适用于从汽车零部件和运动器材到风力涡轮机和飞机结构等各种应用。
• 低弹性模量型（LM）的拉伸弹性模量小于等于200GPa，材料的拉伸强度小于等于3500MPa。 

根据最终热处理温度分类

根据最终热处理温度，碳纤维可分为：

• 高温处理碳纤维（HTT）属于高模量纤维，要求最终热处理温度高于 2000°C。
• 中温热处理碳纤维（IHT）最终热处理温度通常等于或高于 1500°C。这些纤维通常与高强度纤维有关。
• 低热处理碳纤维（LHT）其最终热处理温度不超过1000°C。这些材料的模量和强度较低。 

碳纤维编织类型

碳纤维通常以编织织物的形式出现。碳纤维织物有多种编织方式。一些常用的编织类型是斜纹、缎纹和平纹。

平纹

平纹碳纤维片具有对称外观，带有小棋盘格图案。在这种编织中，丝束以上下图案交织。交织之间的窄距离对平纹织物的稳定性有很大影响。织物稳定性是指织物保持其编织角度和纤维方向的能力。由于其显著的稳定性，平纹织物并不非常适合具有复杂轮廓的铺层。此外，它缺乏许多其他编织所具有的柔韧性。平纹织物通常适用于二维曲线、管子和平板。

斜纹编织

斜纹编织更柔韧，能够塑造复杂的轮廓。在织物稳定性方面，它优于缎纹编织，但不如平纹编织。斜纹编织中的丝束股线在一定数量的丝束上方，然后在相同数量的丝束下方。应用上下图案形成对角箭头，有时称为“斜纹线”。 

缎纹编织

自古以来，缎纹编织就创造出了具有出色悬垂特性和无缝、光滑外观的丝绸织物。复合材料的悬垂性使其能够轻松形成并包裹复杂的轮廓。这种织物由于其高可成形性而稳定性较低。纺织行业常用的缎纹编织是 4 线缎纹 (4HS)、5 线缎纹 (5HS) 和 8 线缎纹 (8HS)。随着缎纹编织数量的增加，可成形性将提高，而织物稳定性将降低。

碳纤维的应用

碳纤维的独特优势使这种材料在多个行业中找到了众多尖端应用。以下是碳纤维的应用和用途概述：

航空航天– 碳纤维因其高强度重量比、刚度和耐腐蚀性而被广泛应用于航空航天领域。主要用途包括飞机机身和机翼、直升机叶片、火箭外壳和有效载荷整流罩。在飞机上使用碳纤维可以使某些飞机的重量减轻高达 20%。几乎看不见的撞击损伤 (BVID) 是在飞机上使用碳纤维的缺点。这种看不见的损伤可能会影响部件的安全性。检测 BVID 需要大量的培训和测试。 

汽车– 随着成本下降，碳纤维越来越多地用于高端汽车和赛车，以减轻重量，同时保持强度和刚度。用途包括车身面板、引擎盖、车顶、扰流板和结构部件。碳纤维有助于提高燃油效率和操控性。一级方程式赛车严重依赖碳纤维。  

运动器材– 许多高端自行车现在都使用碳纤维车架和部件来减轻重量并提高性能。碳纤维还用于高尔夫球杆杆身、网球拍、曲棍球棍和其他专业运动装备。此外，碳纤维安全帽、服装、防护装备和碳纤维应变都是碳纤维应用的例子。因为赛车运动经常使用碳纤维头盔和鞋子。

土木工程– 碳纤维钢筋和电缆可以加固混凝土并取代传统的钢筋。这可以减轻混凝土结构的重量并提高其抗拉强度。碳纤维包裹物和层压板可以加固柱子和桥梁等结构构件。

消费电子产品——碳纤维使笔记本电脑、手机、平板电脑、三脚架和耳机等一些高端消费电子产品更轻便、更耐用。碳纤维设备外壳和结构部件增加了这​​些产品的强度和散热性。此外，当需要电磁透明性时，这种材料特别有用。

医疗器械– 碳纤维的生物相容性和强度使其可用于骨科植入物、假肢和 MRI 机器等。碳纤维增强聚合物可用于生产骨板等精密部件。由于碳纤维在 X 射线图像中呈现透明状态，因此可用于各种 X 射线和成像设备。此外，用碳纤维制成的假肢坚固、轻便且舒适。

军事– 碳纤维最初用于海军舰艇照明，现在已广泛用于从导弹和无人机到头盔和帐篷柱等各种领域。碳纤维在军事领域的主要优势在于其强度高、重量轻，这使得运输更加简单，并能节省更多能源。

常见问题

概括

碳纤维由紧密结合在一起的细碳线组成，形成一种非常耐用、非常坚固且非常轻的材料。其高强度重量比、刚性和耐热性使其成为航空航天、医疗、建筑、体育、海洋和军事应用等行业中轻质和高强度至关重要时的理想选择。碳纤维零件可以制造成复杂的形状和精确定制的设计以优化强度。这种独特的材料具有显着减轻重量而不牺牲耐用性的关键优势。