碳纤维或 碳纤维(或者CF、石墨纤维或石墨纤维)是纤维大约 5-10微米直径,主要由碳组成原子。碳纤维的原子结构与石墨相似,由碳原子片组成 排列成正六边形图案(石墨烯床单),区别在于这些床单互锁的方式。
聚丙烯腈合成碳纤维(平底锅):
- 丙烯腈聚合潘,
- 在低温过程中环化,
- 碳化高温氧化处理(除氢)。在此之后,石墨化过程开始,氮被去除,链条连接成石墨平面。
一种常见的制造方法包括在空气中将纺成的 PAN 长丝加热到大约 300 °C,这会破坏许多氢键并氧化材料。氧化的然后将 PAN 放入具有惰性气体(例如氩气)气氛的熔炉中,并加热到大约 2000 °C,这会导致材料石墨化,从而改变分子键结构。当在正确的条件下加热时,这些链会并排结合(梯形聚合物),形成窄石墨烯最终合并形成单个柱状细丝的薄片。结果通常是 93–95% 的碳。可以使用沥青制造质量较低的纤维或人造丝作为前体而不是 PAN。通过热处理工艺,碳可以进一步增强,成为高模量或高强度碳。在 1500–2000 °C(碳化)范围内加热的碳表现出最高的抗拉强度(5,650兆帕, 或 820,000 psi), 而碳纤维从 2500 加热到 3000 °C (石墨化) 表现出更高的弹性模量(531 GPa,或 77,000,000 psi)。
与人的头发相比,直径为 6 μm 的碳丝(从左下角到右上角)。