【技术干货】一文简要了解碳纤维的制造工艺
尽管许多复合材料用户会使用碳纤维，但不少人却不了解碳纤维的制造方法，因为碳纤维生产商会对自己产品的生产方式保守秘密。每个生产商的碳纤维都与其竞争对手的产品不同，而赋予每个品牌标志性特征的加工细节则被认为是知识产权。
众所周知，碳纤维的制造过程既困难又昂贵。建设一条世界一流的生产线以及设备组装需要大量资本，仅设备一项就至少需要2500万美元，并且最多可能需要两年的时间才能投入运行。因此，实际的成本可能更高。
例如总部位于东京的三菱人造丝有限公司（MRC）计划对大竹生产设施计划投资1亿美元，建筑总面积为87.4万平方米，为期三年，通过扩建以后，该生产线每年可生产多达9,072吨碳纤维。截止目前，全球PAN基碳纤维领先的生产商仅仅为十几家。
金属材料具有均质特性，并且具有符合既定标准的特性，也就是说每个生产商生产的P20钢性能接近，并可以与其他生产商互换。但是，碳纤维生产商生产的产品相似但不相同，如碳纤维的拉伸模量、拉伸强度、压缩强度和疲劳强度等各不相同。
PAN基碳纤维现可提供低模量（<32 Msi）、标准模量（33至36 Msi）、中模量（40至50 Msi）、高模量（50至70 Msi） ）和超高模量（70至140 Msi）等规格。碳纤维作为束丝，按照丝束规格，其产品范围从1K到350K（1K等于1,000根细丝，直径范围从5到10微米），此外产品的碳含量和表面处理/上浆类型也不同。
就制造工艺而言，用最简单的话说，碳纤维是通过惰性气体中在高于982°C / 1800°F的温度下热解有机前体纤维而制成的。然而，碳纤维制造是一项复杂的工作，需要经历聚合和纺丝、氧化（也称为稳定化）、碳化（制备高模量碳纤维时需要增加石墨化工艺）、表面处理和上浆。
该过程始于称为前驱体的聚合物原料，如今，约有10％的碳纤维是由人造丝或沥青前驱体制成的，而绝大部分由聚丙烯腈（PAN）衍生而来，后者是由丙烯腈制成的，而丙烯腈则是由商品化学品丙烯和氨气衍生而来的。本文主要介绍了PAN基碳纤维制造流程。
长期以来，通过将PAN转换为碳纤维一直对生产商构成挑战，因为碳纤维生产商的大部分投资都花在了前驱体上，而成品碳纤维的质量也直接取决于前驱体的质量。通常，前驱体配制以丙烯腈单体开始，其在反应器中与增塑的丙烯酸共聚单体和催化剂，如衣康酸、二氧化硫酸、硫酸或甲基丙烯酸结合，连续搅拌会混合成分，确保黏度和纯度，并引发丙烯腈分子结构内自由基的形成。这种变化导致聚合反应即化学过程，该过程产生可形成丙烯酸纤维的长链聚合物。
纺丝工艺
PAN纤维是通过称为湿法纺丝的方法形成的。将浓液浸入液体凝结浴中，并通过由贵金属制成的喷丝头中的孔挤出，喷丝孔与PAN纤维的所需长丝数相匹配（例如12K碳纤维为12,000个孔）。湿纺纤维通过水洗牵伸以除去过量的凝结剂，然后干燥并拉伸以继续提高PAN聚合物的取向。
湿法纺丝的一种替代工艺是被称为干喷/湿法纺丝的混合工艺，该工艺在纤维和凝固浴之间会存在空气段，从而产生光滑的圆形PAN纤维。PAN前驱体纤维的最后一道工艺是上油，可防止丝束发生黏连，随后卷绕成型。
氧化
预氧化处理是碳纤维制备流程中耗时最长的一道工序，氧化炉温度范围为392°F至572°F（200°C至300°C）。该过程将空气中的氧气分子与PAN纤维结合在一起，并使聚合物链开始交联，这会使纤维密度从〜1.18 g/cc增加到高达1.38 g/cc。
为了避免PAN纤维放热失控（氧化过程中释放的总放热能量估计为2,000 kJ/kg，会造成火灾隐患），预氧化炉制造商使用多种气流设计来帮助散热和控制温度，几种常见的预氧化炉气流方式，请参考