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碳纤维是如何制成的?
发布时间:2020-10-19 15:41 | 浏览次数:


虽然碳纤维的基本材料——由碳制成的纤维——听起来很简单,但是有无数的方法将这些相对简单的纤维与其他产品结合起来,创造更强大,更硬,并且更轻的材料深受设计工程师的青睐现代高科技项目

碳纤维前驱体

碳纤维通常始于有机聚合物,称为前体。大约90%的时间,该前体是聚丙烯腈(PAN)。有时使用人造丝或石油沥青代替。有机聚合物由碳原子结合的长链分子组成。前体的组成因制造商而略有不同,确切的组成通常是一个严密保护的商业秘密。

在制造过程中,可能会添加气体,液体和其他材料,为碳纤维中创建各种特性。有时会寻求特定的效果;在其他时候,目的是特定反应或防止特定反应。同样,过程材料的精确组合通常是公司的秘密。

碳纤维制造工艺

一旦实现了正确的加工材料组合,就可以将前体拉成长条或纤维,然后在惰性气体中在高温下加热(热解)以实现碳化。碳化会排出大多数非碳原子,从而留下长且紧密编织的碳原子链,仅剩下少量的非碳材料。此过程通常包含五个步骤:

  1. 纺丝—将前体与其他材料混合,然后纺成纤维。然后将这些纤维洗涤并拉伸。

  2. 稳定化-碳纤维在碳化之前必须进行化学改变,以通过将其线性原子键更改为梯形键来使其具有更高的热稳定性。将纤维在空气中加热到200-300°C大约30分钟到2小时。这种加热过程迫使碳原子从空气中吸收氧原子,并将分子重新排列成更热稳定的键合模式。必须仔细控制此放热过程,以防止纤维过热。有多种用于稳定碳纤维的方法。

  3. 碳化-纤维热稳定后,将其在无氧的情况下加热至1,000-3,000°C保持几分钟。氧气的缺乏阻止了纤维在如此高的热量下燃烧。在此过程中,重要的是保持炉内的气压高于炉外的气压,并保持纤维的入口和出口密封,以防止氧气进入炉内。在此高温下,纤维排出其非碳原子,而其余的碳原子形成紧密结合的碳晶体。这些碳晶体平行于碳纤维的长轴排列。

  4. 表面处理-碳化过程使纤维具有光滑的表面,该表面不能与用于制造复合产品的环氧树脂和其他材料很好地粘合。因此,表面被轻微氧化。氧化使表面具有更好的化学键合特性,同时还蚀刻了表面以使化学物质更好地粘附于表面。有时将纤维浸入二氧化碳,空气或臭氧等气体中,或将其浸入硝酸或次氯酸钠等液体中进行氧化。其他时候,通过将带正电的纤维浸入导电材料的浴中,通过电解来实现氧化。无论采用哪种表面处理方法,至关重要的是必须在专家的仔细监督下进行操作,以防止引入可能导致材料故障的表面缺陷。

  5. 上浆—一旦氧化,就将纤维包起来,以防止在缠绕到线轴上或机织成织物时损坏。涂覆过程被称为上浆,并且上浆材料经过仔细选择以与用于形成复合结构的粘合剂相容涂层材料可能包括聚酯,尼龙,氨基甲酸酯或环氧树脂。

碳纤维上浆后,将它们缠绕到线轴上,然后装入纺纱机中,然后捻成各种尺寸的纱线。然后可以将这些纱线编织成织物或形成复合材料。

 
 
 
 
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