【专业讲堂】碳纤维：轻巧而超强的人造纤维
碳纤维是一种超强材料且重量极轻。它的强度是钢的五倍、刚度的两倍，但重量却减轻了三分之二。碳纤维束丝可以像纱线一样加捻在一起，也可以像布一样编织在一起。为了使碳纤维具有永久形状，可以将其放在模具上并涂覆硬质树脂或塑料。
碳纤维作为一种新型的高强度纤维，它最早出现于1879年，当时美国发明家爱迪生（Edison）取得了用于制造适用于电灯的碳丝的专利。但是，直至1960年代初期，当航空航天业（尤其是军用飞机）需要更好的轻质材料时，它才真正开始了成功的商业化生产。
近几十年来，碳纤维已广泛用于航空航天、运动器材、汽车工业、建筑结构等领域。碳纤维复合材料非常适合高强度、高刚度、重量轻和优异耐疲劳特性领域的应用。它们也可用于耐高温、化学惰性和高阻尼等领域。
碳纤维通过以编织物、预浸料、连续纤维/粗纱和短切纤维的形式广泛用于各类复合材料中，并可以通过长丝缠绕、胶带缠绕、压缩成型、液体成型和注塑成型等来生产复合材料零部件。
碳纤维工业中有两种最重要的前驱体：聚丙烯腈（PAN）和中间相沥青（MP）。前驱体的结构和组成显着影响所得碳纤维的性能。虽然碳纤维生产的基本过程相似，但不同的前驱体需要不同的加工条件才能获得更高的性能。
应用实例
航空航天——飞行，火箭，卫星
环境能源领域——风力发电叶片，管状功率储罐，电池充电飞轮，燃料电池，潮汐发电叶片，电缆芯
汽车工业——引擎盖，顶盖，螺旋桨轴，公共汽车车身面板，压缩天然气罐
工业用途——火车主体，X射线顶板，个人计算机外壳，液晶面板的机械手，桥墩加固
运动材料——钓鱼竿，自行车，曲棍球棒，球拍，高尔夫球杆。
碳纤维的优势
具有具有低成本潜力，因此碳纤维复合材料将为当前和未来的日常生活中的许多技术提供巨大的优势，其中也包括目前许多在商业上不可行的先进技术。碳纤维用于汽车、公共汽车、火车、飞机、轮船以及包括轻质面板和承重结构在内的众多领域，可以减轻重量，大大节省国家乃至全球的能源消耗。
碳纤维的缺点
成本是在实现碳纤维提供可行的能源解决方案之前必须克服的主要障碍。
其次是废物处理，当汽车发生故障时，其传统金属钢可以熔化并用于建造另一辆汽车，而碳纤维不能熔化，且不容易回收，此外进行回收时，回收后的碳纤维强度会显著下降。
最后，目前缺乏复合材料高速制造技术
碳纤维的分类
根据碳纤维的性质，碳纤维可分为：
超高模量UHM型（模量> 450Gpa）
高模量HM型（模量在350-450Gpa之间）
中间模量IM型（模量在200-350Gpa之间）
低模量和高强度HT型（模量<100Gpa，拉伸强度> 3.0Gpa）
超高强度SHT型（拉伸强度> 4.5Gpa）
基于前驱体纤维材料，碳纤维可分为：
PAN基碳纤维
沥青基碳纤维（包括中间相MPCF和各向同性MPCF）
黏胶基碳纤维
气相生长碳纤维
根据最终热处理温度，碳纤维可分为：
I型高热处理碳纤维（HTT），其最终热处理温度高于2000°C，并且可以与高模量碳纤维结合使用。
II型中级热处理碳纤维（IHT），其最终热处理温度在1500°C左右或以上，并可以与高强度型纤维相关。
III型低热处理碳纤维，其最终热处理温度不超过1000℃。这些是低模量和低强度的材料。
碳纤维制造过程
碳纤维是通过稳定化的前驱体纤维进行受控热解来制造的，在预氧化过程中前驱体纤维在约200-400°C的空气中形成稳定结构，然后在惰性气氛中约1,000℃的高温下对这些稳定且不可熔的纤维进行碳化处理，以除去氢、氧、氮和其他非碳元素。
然后在更高的温度下（高达约3,000°C）对这些碳化纤维进行石墨化处理，以在纤维方向上实现更高的碳含量和更高的杨氏模量。制备得到的碳纤维/石墨纤维的性能取决于许多因素，例如结晶度、晶体分布、分子取向、碳含量和缺陷数量等。最后需要对所得碳纤维进行后处理，以改善其对树脂基体的粘合力。
（译自 Textile School）
尾注：本公众号为国家工程实验室、省级工程实验室等平台支持微信号，