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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)男虏牧现弧３祟l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。 : z/ Q0 [$ K4 w
碳纖維應(yīng)用在空客A380客機上 什么是碳纖維？
& v: ~$ B- E) c. X4 ~1 z 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。
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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(dǎo)電導(dǎo)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)
& M$ S9 q% m4 }. }如此性能良好的碳纖維是怎樣制成的？
5 ]( Q; [1 x' t) e v 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(xué)變化。經(jīng)過這些過程以后，我們就可以得到碳纖維的原絲。
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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(xué)反應(yīng)，生成原絲材料中不含碳的物質(zhì)，導(dǎo)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。
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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。
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發(fā)表于 2017-4-11 15:48:23
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