碳纖維是碳元素含量在92%以上一種高性能纖維,它具有很高的拉伸強度,并且在尺寸上非常堅固。實際上,另外一種形式的碳纖維—碳納米管,被認為是最堅固的材料。碳纖維應用包括建筑、工程、航空航天、高性能車輛、運動器材和樂器。

在能源領域,碳纖維被用于生產風車葉片、天然氣存儲和用于運輸的燃料電池。在飛機工業中,它既可用于軍用飛機、商用飛機,也可用于無人駕駛飛機。對于石油勘探,它用于制造深水鉆井平臺和管道。

原 料

碳纖維是由有機聚合物制成的,有機聚合物被碳原子保持在一起的長鏈分子組成。大多數碳纖維(約90%)是由聚丙烯腈(PAN)原料制成的,少量(約10%)是通過人造絲或瀝青原料生產的。

 

制造過程中使用的氣體、液體和其他材料會產生特定的效果,并形成不同質量和等級的碳纖維。碳纖維制造商使用專有配方和原料組合作為其生產的材料,通常,他們將這些特定配方視為高度商業秘密。

制造過程

碳纖維生產制造涉及化學和機械過程,前驅體通過牽伸形成連續絲狀纖維,然後在惰性氣氛中高溫加熱,從而使纖維原子劇烈振動,以至于幾乎所有非碳原子都被排出。

經過高溫碳化處理後,剩余的纖維由緊密的長碳原子鏈組成,幾乎沒有或沒有剩余非碳原子。這些纖維隨後被編織成織物或與其他材料組合,或通過長絲纏繞、模具加工等加工成期望的形狀和尺寸。

 

在制造碳纖維的PAN過程中,以下五個部分是典型的:

  • 聚合紡絲:AN與其他成分混合并紡成纖維,然後水洗并牽伸。

  • 熱穩定:又稱預氧化,纖維經過處理後可以穩定結構結合。

  • 碳化:預氧化後纖維被加熱到非常高的溫度,形成緊密結合的碳晶體。

  • 表面處理:纖維表面氧化以改善與基體的粘合性能。

  • 上漿:使用漿液對碳纖維進行連續浸漬上漿處理,主要目的是保護碳纖維

生產中主要挑戰

碳纖維的制造面臨許多挑戰,包括:

  • 需要更具成本效益;

  • 對于某些應用而言,即使正在開發新技術,由于成本過高也會限制其應用,如目前在汽車工業中碳纖維的使用僅限于高性能和豪華汽車;

  • 必須仔細調控表面處理過程,以免產生纖維缺陷;

  • 需要嚴格工藝控制以確保一致的質量;

  • 健康和安全問題,包括對皮膚和呼吸道刺激;

  • 碳纖維的強電導率導致電氣設備產生電弧和短路。

 

碳纖維的未來

隨著碳纖維技術的不斷發展,碳纖維的可能性只會多樣化并且會增加。在麻省理工學院,針對碳纖維的多項研究尤其是3D打印技術已經顯示出創造新的制造技術和設計,并可滿足新興行業需求。

麻省理工學院機械工程副教授,納米管先驅約翰·哈特(John Hart)一直在嘗試改變制造技術,包括研究與商業級3D打印機結合使用的新材料。其研究結果是開發了3D打印碳纖維復合材料。

此外,Hart與MIT化學副教授Mircea Dinca合作研究新型碳纖維和復合材料的可能性,這些可能性有一天不僅可以“使汽車的整體結構成為現實”。當用作電池系統”,會形成“更輕更堅固的車身、更高效的催化轉化器、更薄的涂料以及改進的動力總成傳熱”。

 
(參考來源:thoughtco)

 

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