碳纖維你知道怎么做出來的嗎
2024-12-31 16:28:31
在當今科技飛速發(fā)展的時代，碳纖維材料以其卓越的性能成為眾多領(lǐng)域的寵兒。它具有高強度、高模量、低密度、耐腐蝕等諸多優(yōu)點，廣泛應用于航空航天、汽車制造、體育用品等領(lǐng)域。那么，碳纖維是怎么做出來的呢？讓我們一起探尋碳纖維的產(chǎn)生、發(fā)展以及制備方法和應用。
圖1 碳纖維燈絲
碳纖維的歷史可以追溯到 19 世紀末期。1860 年，英國人約瑟夫·斯旺在制作燈泡燈絲時發(fā)明了碳纖維。然而，當時的碳纖維性能并不理想，未能得到廣泛應用。直到 20 世紀中葉，隨著航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展，對高性能材料的需求日益迫切。碳纖維因其優(yōu)異的性能逐漸受到關(guān)注。1959 年，日本大阪工業(yè)試驗所的進藤昭男發(fā)明了用聚丙烯腈（PAN）為原料制取碳纖維的方法，為碳纖維的大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。此后，碳纖維的技術(shù)不斷進步，性能不斷提高。在航空航天領(lǐng)域，碳纖維復合材料逐漸取代傳統(tǒng)的金屬材料，成為飛機、衛(wèi)星等航天器的重要結(jié)構(gòu)材料。在汽車制造領(lǐng)域，碳纖維的應用也越來越廣泛，不僅可以減輕汽車重量，提高燃油效率，還能增強汽車的安全性和舒適性。在體育用品領(lǐng)域，碳纖維更是成為高端產(chǎn)品的代名詞，如高爾夫球桿、自行車、網(wǎng)球拍等。碳纖維的制備方法主要有三種：聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。其中，PAN 基碳纖維是目前應用最廣泛、性能最好的一種碳纖維。首先，將丙烯腈單體通過聚合反應生成聚丙烯腈（PAN）。聚合反應通常在溶劑中進行，常用的溶劑有二甲基亞砜（DMSO）、二甲基甲酰胺（DMF）等。聚合反應的條件如溫度、壓力、引發(fā)劑等對 PAN 的性能有很大影響將聚合后的 PAN 溶液通過紡絲工藝制成 PAN 纖維。紡絲方法主要有濕法紡絲和干法紡絲兩種。濕法紡絲是將 PAN 溶液通過噴絲孔擠出到凝固浴中，使 PAN 溶液中的溶劑與凝固浴中的凝固劑發(fā)生交換，從而使 PAN 凝固成纖維。干法紡絲是將 PAN 溶液通過噴絲孔擠出到熱空氣中，使溶劑迅速揮發(fā)，從而使 PAN 凝固成纖維。PAN 纖維在高溫下容易燃燒，因此需要進行預氧化處理。預氧化處理是將 PAN 纖維在空氣中加熱到 200-300℃，使 PAN 分子發(fā)生環(huán)化、氧化等反應，形成耐熱的梯形結(jié)構(gòu)。預氧化處理的時間、溫度、氣氛等條件對碳纖維的性能有很大影響。預氧化后的纖維在惰性氣氛中加熱到 1000-2000℃，進行碳化處理。在碳化過程中，纖維中的非碳原子（如氫、氧等）被逐漸去除，形成碳纖維。碳化處理的溫度、時間、氣氛等條件對碳纖維的性能有很大影響。對于高性能的碳纖維，還需要進行石墨化處理。石墨化處理是將碳化后的纖維在惰性氣氛中加熱到 2500-3000℃，使碳纖維的晶體結(jié)構(gòu)更加完善，提高碳纖維的模量。石墨化處理的溫度、時間、氣氛等條件對碳纖維的性能有很大影響。
圖2 PAN基碳纖維制備流程
瀝青基碳纖維是以石油瀝青或煤瀝青為原料制備的碳纖維。其制備方法主要有以下幾個步驟：將石油瀝青或煤瀝青進行調(diào)制，去除雜質(zhì)，提高瀝青的軟化點和粘度。將調(diào)制后的瀝青通過紡絲工藝制成瀝青纖維。紡絲方法主要有熔融紡絲和溶液紡絲兩種。熔融紡絲是將瀝青加熱到熔融狀態(tài)，通過噴絲孔擠出成纖維。溶液紡絲是將瀝青溶解在溶劑中，通過噴絲孔擠出到凝固浴中，使瀝青凝固成纖維。瀝青纖維在空氣中加熱到 200-400℃，進行不熔化處理。在不熔化處理過程中，瀝青纖維中的小分子發(fā)生交聯(lián)反應，形成耐熱的結(jié)構(gòu)。不熔化處理的時間、溫度、氣氛等條件對碳纖維的性能有很大影響。不熔化后的纖維在惰性氣氛中加熱到 1000-2000℃，進行碳化處理。在碳化過程中，纖維中的非碳原子被逐漸去除，形成碳纖維。碳化處理的溫度、時間、氣氛等條件對碳纖維的性能有很大影響。粘膠基碳纖維是以粘膠纖維為原料制備的碳纖維。其制備方法主要有以下幾個步驟：將纖維素原料（如木漿、棉漿等）通過化學處理制成粘膠纖維。粘膠纖維在空氣中加熱到 200-300℃，進行預氧化處理。在預氧化處理過程中，粘膠纖維中的纖維素分子發(fā)生環(huán)化、氧化等反應，形成耐熱的結(jié)構(gòu)。預氧化處理的時間、溫度、氣氛等條件對碳纖維的性能有很大影響。預氧化后的纖維在惰性氣氛中加熱到 1000-2000℃，進行碳化處理。在碳化過程中，纖維中的非碳原子被逐漸去除，形成碳纖維。碳化處理的溫度、時間、氣氛等條件對碳纖維的性能有很大影響。
圖3 中國近地衛(wèi)星
在航空航天領(lǐng)域，碳纖維復合材料具有重量輕、強度高、耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛應用于飛機、衛(wèi)星等航天器的結(jié)構(gòu)材料。例如，波音 787 飛機的機身和機翼大量采用了碳纖維復合材料，使飛機的重量減輕了 20%，燃油效率提高了 20%。在汽車制造領(lǐng)域，碳纖維的應用可以減輕汽車重量，提高燃油效率，增強汽車的安全性和舒適性。例如，寶馬 i3 電動汽車的車身采用了碳纖維復合材料，使汽車的重量減輕了 300 公斤，續(xù)航里程增加了 30%。在體育用品領(lǐng)域，碳纖維以其高強度、高模量、低密度等優(yōu)點，成為高端產(chǎn)品的代名詞。例如，高爾夫球桿、自行車、網(wǎng)球拍等體育用品大量采用了碳纖維材料，提高了產(chǎn)品的性能和品質(zhì)。在建筑領(lǐng)域，碳纖維可以用于加固混凝土結(jié)構(gòu)，提高建筑物的抗震性能和耐久性。例如，在地震災區(qū)的建筑物修復中，碳纖維布被廣泛應用于加固混凝土梁、柱等結(jié)構(gòu)。碳纖維還在醫(yī)療器械、電子設(shè)備、能源等領(lǐng)域有著廣泛的應用。例如，碳纖維可以用于制造人工關(guān)節(jié)、假肢等醫(yī)療器械；可以用于制造手機、電腦等電子設(shè)備的外殼；可以用于制造風力發(fā)電機的葉片等。
