碳纤维：探索、创新和替代传统聚合物和金属

碳纤维是将人造丝或聚丙烯腈纤维或石油渣加热到适当温度制成的高强度纤维。如今，碳纤维已成为许多产品的重要组成部分，并且每年都在开发新的应用。美国、日本和西欧是碳纤维的主要生产国。碳纤维，也称为碳石墨，是一种由直径约510μm的纤维组成的材料，主要由碳原子组成。碳原子在微观晶体中结合在一起，这些晶体或多或少平行于纤维的长轴排列。晶体排列使光纤具有高强度体积比。数千根碳纤维捆绑在一起形成丝束，可以单独使用或编织成织物。碳纤维被认为非常昂贵。它们通常与环氧树脂一起使用，用于需要高强度和刚度的地方，例如汽车和航天应用、运动器材等。主要应用领域：碳纤维的两个主要应用是专业技术，包括航空航天和核工程。其他功能领域包括纺织品、微电极、碳纤维增强复合材料用于制造飞机和航天器零件、赛车车身、高尔夫球杆杆、自行车车架、钓鱼竿、汽车弹簧、帆船桅杆以及许多其他需要轻质和高强度的部件。是什么让它们独一无二？碳纤维是聚合物复合材料中最坚硬、最强的增强纤维，仅次于玻璃纤维。碳纤维按纤维的拉伸模量分类。拉伸模量是衡量一定直径的纤维可以施加多大的拉力而不会断裂的量度。根据纤维的取向，碳纤维复合材料可以在某个方向上更强，也可以在所有方向上同样强。一小块可以承受数吨的冲击，并且变形仍然很小。纤维的复杂交织性质使其很难断裂。碳纤维的分类：根据模量、强度和最终热处理温度，碳纤维可分为以下几类：

• 基于碳纤维性能
• 基于前驱体纤维材料
• 基于最终热处理温度

原材料及制造工艺：用于制造碳纤维的原材料称为前驱体。大约90%的碳纤维由聚丙烯腈（PAN）制成。剩下的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，其特征是被碳原子结合在一起的长串分子。每种前体的确切成分因公司而异，通常被视为商业秘密。制造工艺：制造碳纤维的过程部分是化学的，部分是机械的。前体（纤维的分子骨架）被拉成长链或纤维，然后加热到非常高的温度，不允许它与氧气接触。没有氧气，纤维就无法燃烧。相反，高温会导致纤维中的原子剧烈振动，直到大部分非碳原子被排出。这个过程称为碳化，留下由长而紧密互锁的碳原子链组成的纤维，只剩下少数非碳原子。如今，大多数碳纤维来自聚丙烯腈（PAN），聚丙烯腈由丙烯腈制成，丙烯腈来自商品化学品丙烯和氨。用于形成碳纤维的操作顺序聚合和纺丝：该过程从称为前体的聚合物原料开始，它提供纤维的分子骨架。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之一将塑料纺成纤维。纺丝步骤很重要，因为纤维的内部原子结构是在此过程中形成的。最后，将纤维洗涤并拉伸至所需的纤维直径。

• 稳定化：稳定化过程在碳化之前在原子水平上化学改变纺丝纤维。通过在较低温度（约200-300°C）下加热空气中的纤维来实现稳定。加热使纺出的纤维吸收氧分子。稳定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出。在其他情况下，纤维通过热辊和松散材料床，通过热空气流保持悬浮状态。一些工艺使用加热空气与某些气体混合，以化学方式加速稳定。
• 碳化：纤维稳定后，碳化过程排出非碳原子，将碳原子键合成晶体结构。它们在充满不含氧气的气体混合物的炉子中加热到约1,830-5,500°F（1,000-3,000°C）的温度几分钟。缺氧可防止纤维在非常高的温度下燃烧。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。当非碳原子被排出时，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，使用两个在两个不同温度下运行的炉子来更好地控制碳化过程中的加热速率。
• 表面处理：纤维碳化后，表面处理有助于纤维与树脂粘合。在表面添加氧原子可提供更好的化学键合性能，还可以蚀刻和粗糙表面以获得更好的机械键合性能。氧化可以通过将纤维浸入各种气体（如空气、二氧化碳或臭氧）来实现;或在各种液体中，如次氯酸钠或硝酸。
• 上浆：上浆是纤维在缠绕或编织过程中被涂覆以保护它们免受损坏的过程，这是处理表面后遵循的步骤。当上浆干燥时，漫长的过程就完成了。选择的涂层材料与用于形成复合材料的粘合剂相容。典型的涂层材料包括环氧树脂、聚酯、尼龙、聚氨酯等。涂层纤维被缠绕在圆柱体上，然后装入纺纱机，纤维被捻成各种尺寸的纱线。
• 安全问题：碳纤维处理的主要健康危害是由于机械刺激和磨损，类似于玻璃纤维。如果不加以控制，这些微纤维有可能粘在人体皮肤或粘膜中，引起刺激。保护眼睛和喉咙免受碳纤维粉尘的侵害至关重要。

碳纤维复合材料取代传统材料的一些原因：

1. 高强度重量比：碳纤维的重量约为钢的25%，铝的70%，并且比这两种材料的重量更坚固、更硬。高端汽车工程师使用复合材料将车辆重量减轻多达60%，同时提高碰撞安全性;多层复合材料层压板比传统的单层钢吸收更多的能量。
2. 耐久性：CF复合材料无论环境如何，都不会生锈。CF复合材料的断裂韧性低于金属，但高于大多数聚合物。高尺寸稳定性使它们能够保持其形状，无论是热还是冷，湿还是干。它有助于降低维护成本并确保长期稳定性。
3. 新的设计选项：CF复合材料提供了传统材料难以实现的设计选项。它允许零件合并;单个复合材料零件可以替代金属零件的完整组件。可以改变表面纹理以模仿任何饰面，从光滑到有纹理。
4. 碳纤维的未来：碳纤维增强塑料（CFRP）市场的未来看起来很有吸引力，在航空航天、汽车、压力容器和风能行业都有机会。该市场的主要驱动力是对高性能和轻质复合材料的需求不断增长，以及各种最终用途行业的性能要求不断提高。

对行业动态有直接影响的新兴趋势包括开发降低碳纤维制造成本的技术，以及零件制造和CFRP的再利用，因为回收的碳纤维降低了产品成本和环境影响。