碳纖維 也稱為石墨纖維或碳石墨，由非常細的碳元素鏈組成。這些纖維具有很高的拉伸強度，并且對于它們的尺寸來說非常堅固。事實上，一種形式的碳纖維——碳納米管——被認為是最堅固的材料。碳纖維應用包括建筑、工程、航空航天、高性能車輛、運動器材和樂器。在能源領域，碳纖維用于生產(chǎn)風車葉片、天然氣儲存和運輸燃料電池。在飛機工業(yè)中，它在軍用和商用飛機以及無人駕駛飛行器中都有應用。對于石油勘探，它用于制造深水鉆井平臺和管道。

速覽：碳纖維統(tǒng)計

• 每根碳纖維的直徑為 5 到 10 微米。為了讓您了解它有多小，一微米 (um) 是 0.000039 英寸。單股蜘蛛網(wǎng)絲通常在三到八微米之間。

• 碳纖維的硬度是鋼的兩倍，強度是鋼的五倍（每單位重量）。它們還具有高度的耐化學性和耐高溫性和低熱膨脹性。

原料

    碳纖維由有機聚合物制成，有機聚合物由碳原子連接在一起的長鏈分子組成。大多數(shù)碳纖維（約 90%）由聚丙烯腈 (PAN) 工藝制成。少量（約 10%）由人造絲或石油瀝青工藝制成。

    制造過程中使用的氣體、液體和其他材料會產(chǎn)生特定的碳纖維效果、質量和等級。碳纖維制造商對其生產(chǎn)的材料使用專有配方和原材料組合，通常，他們將這些特定配方視為商業(yè)機密。

    最高級的碳纖維具有最有效模量（用于表示物質具有特定屬性（例如彈性）的數(shù)值程度的常數(shù)或系數(shù)）性能的最高級碳纖維用于要求苛刻的應用，例如航空航天。

制造工藝

    制造碳纖維涉及化學和機械過程。被稱為前體的原材料被拉長成長股，然后在厭氧（無氧）環(huán)境中加熱到高溫。極熱不是燃燒，而是導致纖維原子劇烈振動，幾乎所有非碳原子都被排出。

    碳化過程完成后，剩余的纖維由長而緊密的碳原子鏈組成，幾乎沒有或沒有非碳原子。這些纖維隨后被織成織物或與其他材料結合，然后用細絲纏繞或模壓成所需的形狀和尺寸。

    以下五個部分是用于制造碳纖維的 PAN 工藝中的典型部分：

1.紡紗，PAN 與其他成分混合并紡成纖維，然后進行洗滌和拉伸。

2.穩(wěn)定，纖維經(jīng)過化學變化以穩(wěn)定粘合。

3.碳化，穩(wěn)定的纖維被加熱到非常高的溫度，形成緊密結合的碳晶體。

4.纖維表面，被氧化以改善粘合性能。

5.漿紗，纖維被涂覆并纏繞在筒子上，筒子被裝載到紡紗機上，將纖維捻成不同尺寸的紗線。除了編織成織物，纖維還可以形成復合材料，使用熱、壓力或真空將纖維與塑料聚合物粘合在一起。

    碳納米管是通過與標準碳纖維不同的工藝制造的。據(jù)估計，納米管的強度是其前體的 20 倍，納米管是在使用激光蒸發(fā)碳顆粒的熔爐中鍛造而成。

制造碳纖維中存在的挑戰(zhàn)

碳纖維的制造面臨許多挑戰(zhàn)，包括：

• 需要更具成本效益的恢復和維修
  

• 某些應用的制造成本不可持續(xù)：例如，盡管新技術正在開發(fā)中，但由于成本過高，碳纖維在汽車行業(yè)的使用目前僅限于高性能和豪華汽車。

• 必須仔細調(diào)節(jié)表面處理過程，以避免產(chǎn)生導致缺陷纖維的凹坑。

• 需要密切控制以確保始終如一的質量

• 健康和安全問題，包括皮膚和呼吸刺激

• 由于碳纖維的強導電性，電氣設備中的電弧和短路

碳纖維的未來

隨著碳纖維技術的不斷發(fā)展，碳纖維的可能性只會越來越多樣化。