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碳纖維這個詞，相必大家應(yīng)該都比較熟悉了。***常見的是一些跑車，可能會用到碳纖維材料，包括現(xiàn)在的飛機、導彈什么的，也都會用到。碳纖維為什么這么貴？碳纖維有什么作用呢？碳纖維是怎么制成的？今天，小編就帶大家了解一下碳纖維。
碳纖維在1960年代首次投放到固體火箭發(fā)動機的機殼和坦克中時，它不僅可以代替玻璃纖維，而且還可以吸收其他各種材料。
用于制造碳纖維的原料稱為前體。生產(chǎn)的碳纖維中約有90％由聚丙烯腈（PAN）制成。其余的10％由人造絲或石油瀝青制成。所有這些材料都是有機聚合物，其特征在于由碳原子結(jié)合在一起的長分子分子。每個前體的確切組成因一家公司而異，通常被認為是商業(yè)秘密。
在制造過程中，會使用各種氣體和液體。這些材料中的一些被設(shè)計為與纖維反應(yīng)以達到特定的效果。其他材料設(shè)計為不與纖維起反應(yīng)或防止與纖維發(fā)生某些反應(yīng)。與前體一樣，許多這些處理材料的確切成分也是專有的。
碳纖維的制造過程部分是化學過程，部分是機械過程。前驅(qū)體被拉成長條或纖維，然后加熱到很高的溫度，而不讓它與氧氣接觸。沒有氧氣，纖維將無法燃燒。相反，高溫導致纖維中的原子劇烈振動，直到大部分非碳原子被排出為止。此過程稱為碳化，留下的纖維由長且緊密互鎖的碳原子鏈組成，僅剩余少量非碳原子。
50年后，它仍然是一種奇特的材料。當然，蝙蝠俠穿上了西裝，昂貴的汽車在儀表盤和性能部件上散布著它，但低端價格為每磅10美元，對于大規(guī)模部署而言，價格仍然太高了。我們已經(jīng)使用了幾十年了。我們的材料科學摩爾定律在哪里使這種材料便宜？為什么這些東西仍然那么貴？
穩(wěn)定
在纖維碳化之前，需要對其進行化學改變，以將其線性原子鍵轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼰岱€(wěn)定的梯形鍵。這是通過將空氣中的纖維加熱到大約390-590°F（200-300°C）30-120分鐘來完成的。這導致纖維從空氣中吸收氧分子并重新排列其原子鍵合模式。穩(wěn)定化學反應(yīng)很復雜，涉及多個步驟，其中一些步驟會同時發(fā)生。它們還會產(chǎn)生自己的熱量，必須對其進行控制以避免纖維過熱。在商業(yè)上，穩(wěn)定化過程使用多種設(shè)備和技術(shù)。在某些過程中，纖維被拉過一系列加熱室。在另一些情況下，纖維通過熱輥并通過熱空氣流保持懸浮的松散物料床。
碳化
纖維穩(wěn)定后，將它們在裝滿不含氧氣的氣體混合物的熔爐中加熱至約1,830-5,500°F（1,000-3,000°C）的溫度幾分鐘。氧氣的缺乏阻止了纖維在非常高的溫度下燃燒。保持爐內(nèi)的氣壓高于外部氣壓，并密封纖維進出爐的位置，以防止氧氣進入。隨著纖維被加熱，它們開始以各種氣體的形式失去其非碳原子以及一些碳原子，這些氣體包括水蒸氣，氨，一氧化碳，二氧化碳，氫氣，氮氣等。隨著非碳原子的排出，剩余的碳原子形成緊密結(jié)合的碳晶體，這些晶體或多或少地平行于纖維的長軸排列。
處理表面
碳化后，纖維的表面不能與環(huán)氧樹脂和復合材料中使用的其他材料很好地粘合。為了使纖維具有更好的粘結(jié)性能，其表面會被輕微氧化。向表面添加氧原子可提供更好的化學鍵合性能，并對表面進行蝕刻和粗糙化以獲得更好的機械鍵合性能。可以通過將纖維浸入各種氣體（例如空氣，二氧化碳或臭氧）中來實現(xiàn)氧化。或在各種液體（如次氯酸鈉或硝酸）中使用。也可以通過在充滿各種導電材料的浴中將纖維制成正極端子，從而對纖維進行電解涂覆。必須小心控制表面處理過程，以免形成微小的表面缺陷（例如凹坑），而這些缺陷可能導致纖維失效。
漿紗
表面處理后，對纖維進行涂覆以保護它們在纏繞或編織過程中不受損壞。此過程稱為調(diào)整大小。選擇涂層材料使其與用于形成復合材料的粘合劑兼容。典型的涂料包括環(huán)氧樹脂，聚酯，尼龍，氨基甲酸酯等。
涂覆的纖維纏繞在稱為線軸的圓柱上。將線軸裝入紡紗機中，然后將纖維捻成各種尺寸的紗線。
在碳纖維成為碳纖維之前，它開始是一種基礎(chǔ)材料，通常是一種有機聚合物，其碳原子將一長串稱為聚丙烯腈的分子粘合在一起。對于類似于毛衣和地毯中的丙烯酸材料的材料，這是一個大詞。但是不同于地板和衣服丙烯酸，變成一種比鋼鐵更強更輕的材料的價格更高。每磅起價三歐元的價格聽起來可能過高，但在制造過程中，數(shù)量激增。
看到，要獲得碳纖維的碳部分，原料的一半丙烯酸必須被踢掉。橡樹嶺國家實驗室聚合物基復合材料小組的鮑勃·諾里斯解釋說：“***終產(chǎn)品的成本將是開始時的兩倍，因為燒掉了一半。” “甚至在不考慮能源和設(shè)備之前，***終產(chǎn)品中的前體成本約為每磅5美元。”
每磅5美元的價格也是使碳纖維進入主流汽車應(yīng)用的魔幻數(shù)字。七個骨頭會起作用，但五個會******。因此，就目前而言，僅基礎(chǔ)材料就已經(jīng)超出了預(yù)算。
還有更多。迫使丙烯酸酯釋放其非碳原子會耗費巨大的機器和大量的熱量。兩個主要加工步驟中的******個是氧化穩(wěn)定化。在這里，纖維不斷地通過50-100英尺長的烘箱喂入，從而排出數(shù)百攝氏度范圍內(nèi)的熱量。這個過程需要幾個小時，所以它是一個巨大的能量消耗者。
然后，材料經(jīng)歷所謂的碳化。盡管這里的爐子較短且使用壽命不長，但它們的工作溫度要高得多-我們在開始前的******步需要約1000攝氏度，然后再進行一輪更高溫度的加熱。那是您甚至不想考慮的電費單。
它并沒有就此結(jié)束。制造商還必須處理在加熱過程中不會殘留的丙烯酸。需要處理廢氣，以免污染環(huán)境。綠色并不便宜。諾里斯說：“這涉及很多能源，很多房地產(chǎn)和很多大型設(shè)備。” 那只是在制造單個纖維本身。
讓我們花點時間討論一下我們在制造過程中的位置以及我們試圖達到的位置。當您想到碳纖維時，會想到那種看起來棒極，堅硬，超輕，有光澤的面板，并且具有可見的組織，對嗎？好吧，我們剛剛完成了工作。我們?nèi)匀恍枰獙⑺鼈兣帕谐梢粋€網(wǎng)格，利用該材料的單向強度并將它們粘合在一起。
給織造產(chǎn)品釘釘意味著確保所有股線都在拉扯其重量。
碳纖維制造商Toho Tenax America 總裁Rob Klawonn解釋說：“您必須擔心纖維是平行的并且都被均勻拉伸。” 晶格中的波浪形線束會在直纖維上施加額外的應(yīng)力，而該直束線***終會先斷裂。為了彌補編織不完美的可能性，制造商可能會將已經(jīng)很昂貴的纖維多穿進必要的百分之十。
單獨地，股線并不是制造商需要的強項。它們是鋼筋一樣的鋼筋混凝土。目前，碳纖維可與熱固性樹脂一起使用。它們共同構(gòu)成了一種復合材料，可以將其加工成某種形狀。問題在于，一旦樹脂在高壓釜中成型并固化，就無法在不擰緊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完整性的情況下改變其形狀。一個小錯誤意味著很多浪費和時間。考慮到汽車行業(yè)沖壓車身板的速度，熱固性需要一個多小時，這是一個很長的時間。
因此，碳纖維不僅僅需要一個天才的修理就可以進入較低的價格等級，還需要對整個系統(tǒng)進行大修。就像任何能提供豐厚財務(wù)回報的東西一樣，這個行業(yè)也正在努力。
例如，那些毛衣類型的丙烯酸樹脂可能會代替制造商現(xiàn)在使用的丙烯酸樹脂。諾里斯說：“設(shè)備的專業(yè)性較差，因此可以將前體成本降低20％至30％。” 他們還檢查了木質(zhì)等可再生碳纖維原料，例如木質(zhì)素，而不是目前的石油基原料。
替代的轉(zhuǎn)換過程（即將熱交換為等離子加熱）也可以降低成本。“它減少了時間，因為您不必加熱整個爐子；您可以產(chǎn)生等離子體來包圍燈絲，” Norris解釋說。
科學家們還沒有完全確定使碳纖維與熱塑性樹脂一起使用的化學過程。但是，一旦這樣做，Toho Tenax America的Klawonn預(yù)計轉(zhuǎn)換過程中的成本將降低60-70％。******的變化是熱塑性塑料快速凝固并且可以熔化和重熔，從而在出現(xiàn)錯誤時減少浪費。
變革即將到來。諾里斯（Norris）指出，像空中客車A380這樣的新型商業(yè)客機都安裝了碳纖維代替鋁。“他們正在向更加主流的方向發(fā)展，但是直到現(xiàn)在，一直都是有能力為此付出代價的行業(yè)。” 我們只希望成本在需要它的行業(yè)之前下降。