近年來,碳纖維筆記本電腦、碳纖維自行車、碳纖維網(wǎng)球拍等一系列碳纖維產(chǎn)品走進了尋常百姓家,使得“碳纖維”成為了大家最耳熟能詳?shù)男虏牧现。除了頻繁現(xiàn)身于日常用品,碳纖維還被應(yīng)用在汽車、航空、航天、船舶、能源等高新產(chǎn)業(yè)?梢哉f,幾乎在所有的軍事和民用領(lǐng)域中都可以看到碳纖維的身影。本期專題將為大家揭開碳纖維制造的神秘面紗。 5 G- V+ D9 L; e, w! A- t1 i' g7 X
碳纖維應(yīng)用在空客A380客機上 什么是碳纖維? 6 ]) k! @% K! s7 z1 ~
回答這個問題前,我們先了解一下什么是碳纖維。碳纖維(carbon fiber),顧名思義,就是由碳元素組成的纖維,含碳量高于90%。在微觀上,碳纖維的結(jié)構(gòu)和石墨有點相似,都是由層狀的碳片狀晶體組成。這些碳片狀晶體有一個名字,叫做石墨烯。它只有一層原子厚度,面內(nèi)的碳原子呈六角形排列,類似于蜂窩的形狀。這種獨特的原子排列結(jié)構(gòu),使得石墨烯成為最強韌的材料。在石墨中,這些碳片狀晶體非常有規(guī)則地層疊起來;然而,在碳纖維中,這些碳片狀晶體并不總是那么規(guī)則,有時候碳片狀晶體可能出現(xiàn)相互交錯情形。 9 n4 \7 p& V3 r9 ?
碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)使其具有許多優(yōu)良性能,在保持密度低的前提下,獲得很大的軸向強度和楊氏模量,同時,碳纖維具有很好的耐超高溫性,耐疲勞性和耐腐蝕性,以及良好的導電導熱性能。這些優(yōu)良的特性,是保證其在各領(lǐng)域中得到應(yīng)用的前提。
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石墨烯(左)和石墨(右) : V* i1 c4 b/ Y- n& Q1 Q' Z
如此性能良好的碳纖維是怎樣制成的?
1 T2 w6 b# S( ^9 U4 ~" B 盡管碳纖維主要由碳組成,微觀結(jié)構(gòu)也和石墨非常接近;然而,人們至今還不能直接用碳或石墨來制取碳纖維,只能采用一些含碳的有機纖維原料,將有機纖維與塑料樹脂結(jié)合在一起炭化制得碳纖維。
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被選用來制備碳纖維的有機纖維主要包括:聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維等,其中應(yīng)用較普遍的是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。選用不同的有機纖維作為原料,對具體的工藝參數(shù)會有不同的要求,制備出來的碳纖維的性能也會有一定的差異。然而,在這過程中,普遍需要經(jīng)歷纖維紡絲、熱穩(wěn)定化(預(yù)氧化)、氧化、碳化四個過程,其間伴隨著脫氫、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等化學變化。經(jīng)過這些過程以后,我們就可以得到碳纖維的原絲。 0 _. K) x" w! b+ S
然而,制備出原絲并不意味著制備碳纖維的過程就結(jié)束了。制備出原絲后,還需要經(jīng)過上漿和固化的過程。所謂的上漿就是將原絲和環(huán)氧樹脂混合的過程。上漿過程使用的方法可以很多,可以通過自動放置機械會將碳纖維浸泡在環(huán)氧樹脂中,也可以人工地將環(huán)氧樹脂和其他高分子與碳纖維混合起來。上漿結(jié)束后,就需要經(jīng)過最后的一個程序,那就是固話。固化過程常用到的方法是加熱,或者將環(huán)氧樹脂放在真空中加壓。固化主要是讓包裹了環(huán)氧樹脂的碳纖維硬化;此外,在固化過程中,碳纖維可能會發(fā)生化學反應(yīng),生成原絲材料中不含碳的物質(zhì),導致纖維顆粒之間的團聚作用力更加強。這時候,碳纖維的產(chǎn)品就真正做好了。 0 z0 j6 c, Q, ]* T W( d/ ?
碳纖維小提琴
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經(jīng)過本期的專題介紹,相信大家對于碳纖維是如何被制造出來有了一個感性的認識,歡迎大家就本期專題跟帖討論。下期專題為碳纖維發(fā)展歷史。 $ b$ n E: W4 v
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