碳纤维：全面了解

碳纤维具有高抗拉强度，而且非常轻且非常稳定。碳晶体以链状结合在一起，形成一种非常坚固的材料，与同等重量的钢相比，其强度是钢的5倍。碳纤维直径非常小，范围为5-10微米。由于其出色的机械性能，碳纤维的生产和消费最近有所增长。碳纤维的高制造成本与其在拉伸和压缩方面的高强度以及高抗腐蚀、蠕变和疲劳性、低重量和高性能相平衡。

编织碳纤维织物用于各种应用，如船舶、体育用品、国防等。两种最常见的编织样式是“平纹”和“斜纹”。两者在每个方向上都有等量的碳纤维，并且它们的强度非常相似。其他样式包括缎纹、单向、双轴。或者，可以将织物添加到硬化的树脂系统（如环氧树脂）中，这样就形成了结构复合部件。由于树脂系统是坚固的低密度材料，因此复合部件同时也非常坚固且重量轻。

碳纤维制造的主要原料是聚丙烯腈(PAN)，其次是沥青，极少量的碳纤维来自人造丝。

碳纤维通常根据其特性所属的模量或强度带进行分组。这些带通常称为：高强度、中模量、高模量和超高模量等。这些碳纤维质量的参考不是很清楚，因为生产不同质量的不同公司可能会以不同的方式考虑或评估某种质量。PAN纤维密度范围从1.75 g/cm 3到1.90 g/cm 3。PAN拉伸强度可高达1000Ksi。

碳历史

碳纤维于1958年在俄亥俄州克利夫兰附近首次发明，但该工艺效率低下，因为最终纤维中只有20%是碳。后来开发了另一种使用PAN作为前体的工艺，最终纤维的碳含量为55%。但随着1963年英国研究中心开发的一种新制造工艺的出现，碳纤维的高潜在强度得以实现，碳纤维制造业开始发展。20世纪70年代，对替代原材料的研究导致碳纤维含有85%的碳，这次是用沥青制成的。

现代碳纤维含量超过90%，接近100%。如今，生产最高品质碳纤维的领先公司来自日本，在世界各地拥有许多碳纱制造基地。早年，碳复合材料非常昂贵，因此很少使用，而且大多只用于航空航天应用。然而，随着时间的推移，碳纤维在更多应用中变得价格合理，制造技术也得到了改进，所有这些都导致消费量增加（并且不断增长）。

碳结构

碳纤维的原子结构与石墨相似，由六边形排列的碳原子层组成。根据前体和制造工艺，层可能是乱层结构、石墨结构或混合结构。在石墨结构中，薄片以规则方式平行堆叠。平面之间的结合较弱，使石墨具有柔软的特性。由PAN制成的碳纤维是乱层的，可以提供更高的强度，而沥青可以提供更高的模量。

制造过程

PAN碳纤维是在惰性气体中以高于982°C的温度对前体纤维进行热解而制成的。制造碳的最常见前体材料是聚丙烯腈(PAN)，占所有碳纤维产量的90%。该工艺包括以下五个步骤：

纺丝（和聚合）：PAN与其他成分混合，纺成纤维，然后进行清洗和拉伸。成品纤维的质量很大程度上取决于原丝的质量。
稳定化（或氧化）：在约200°C-400°C的温度下进行化学变化以稳定粘合。
碳化：将稳定纤维加热至极高温度（~1000°C），以去除氢、氧、氮和其他非碳元素，形成紧密结合的碳晶体。为了制造更硬（高模量）的纤维，热解过程需要持续更长时间，并在更高的温度下进行（高达3000°C），从而形成直径较小的圆形纤维。模量较高的纤维更昂贵且更脆。因此，在进一步加工（编织、缠绕等）时应更加小心。
表面处理：对氧化纤维进行表面处理，以提高结合性能。
上浆：纤维经过涂层处理并卷绕到线轴上。

主要优势

与其他材料相比，碳纤维具有许多优势。主要优势特征包括：

高强度
重量轻
耐腐蚀
优异的抗蠕变性
良好的导热性和导电性
与大多数树脂系统兼容
尺寸稳定性极高
低热膨胀系数
X射线渗透性

碳应用

碳纤维在许多应用中都受到青睐，因为它的性能优于许多其他纤维材料。它主要用于高品质产品，以取代玻璃纤维、木材或合金，因为它重量更轻、刚度更高、抗疲劳性更好。此外，随着人们对环境问题的关注度不断提高，碳纤维的使用量也在增长。例如，碳纤维可以减轻车辆重量，从而降低燃料消耗。同时，复合材料产品制造的碳足迹比金属（产品）制造少得多，因此对环境有额外的（不太明显的）积极影响。

碳制成品的例子有：