机械社区

 找回密码
 注册会员

QQ登录

只需一步,快速开始

搜索
查看: 10743|回复: 28

碳纤维综合系列专题【一】 碳纤维制造原理

[复制链接]
发表于 2017-4-11 15:48:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
      近年来,碳纤维笔记本电脑、碳纤维自行车、碳纤维网球拍等一系列碳纤维产品走进了寻常百姓家,使得“碳纤维”成为了大家最耳熟能详的新材料之一。除了频繁现身于日常用品,碳纤维还被应用在汽车、航空、航天、船舶、能源等高新产业。可以说,几乎在所有的军事和民用领域中都可以看到碳纤维的身影。本期专题将为大家揭开碳纤维制造的神秘面纱。

1 v/ ~5 }7 c- l8 H5 a, Q- G; Y
碳纤维应用在空客A380客机上
什么是碳纤维?

( {2 X3 d6 K5 H5 H& H* x
      回答这个问题前,我们先了解一下什么是碳纤维。碳纤维(carbon fiber),顾名思义,就是由碳元素组成的纤维,含碳量高于90%。在微观上,碳纤维的结构和石墨有点相似,都是由层状的碳片状晶体组成。这些碳片状晶体有一个名字,叫做石墨烯。它只有一层原子厚度,面内的碳原子呈六角形排列,类似于蜂窝的形状。这种独特的原子排列结构,使得石墨烯成为最强韧的材料。在石墨中,这些碳片状晶体非常有规则地层叠起来;然而,在碳纤维中,这些碳片状晶体并不总是那么规则,有时候碳片状晶体可能出现相互交错情形。
0 S+ z! Q9 w8 J* j6 ^3 d* i8 G
       碳纤维的微观结构使其具有许多优良性能,在保持密度低的前提下,获得很大的轴向强度和杨氏模量,同时,碳纤维具有很好的耐超高温性,耐疲劳性和耐腐蚀性,以及良好的导电导热性能。这些优良的特性,是保证其在各领域中得到应用的前提。
( s* g. `7 c# i% Q& i2 m
石墨烯(左)和石墨(右)

  O6 ~* p( x5 V2 O2 e5 a; k5 e
如此性能良好的碳纤维是怎样制成的?
6 y! E+ q: e' c+ d6 g  J. O
  尽管碳纤维主要由碳组成,微观结构也和石墨非常接近;然而,人们至今还不能直接用碳或石墨来制取碳纤维,只能采用一些含碳的有机纤维原料,将有机纤维与塑料树脂结合在一起炭化制得碳纤维。

% U8 P6 ^  l) J! i
      被选用来制备碳纤维的有机纤维主要包括:聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维等,其中应用较普遍的是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。选用不同的有机纤维作为原料,对具体的工艺参数会有不同的要求,制备出来的碳纤维的性能也会有一定的差异。然而,在这过程中,普遍需要经历纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、氧化、碳化四个过程,其间伴随着脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等化学变化。经过这些过程以后,我们就可以得到碳纤维的原丝。
2 s; P1 _, I* |* @' U0 r: G- x3 S: U
      然而,制备出原丝并不意味着制备碳纤维的过程就结束了。制备出原丝后,还需要经过上浆和固化的过程。所谓的上浆就是将原丝和环氧树脂混合的过程。上浆过程使用的方法可以很多,可以通过自动放置机械会将碳纤维浸泡在环氧树脂中,也可以人工地将环氧树脂和其他高分子与碳纤维混合起来。上浆结束后,就需要经过最后的一个程序,那就是固话。固化过程常用到的方法是加热,或者将环氧树脂放在真空中加压。固化主要是让包裹了环氧树脂的碳纤维硬化;此外,在固化过程中,碳纤维可能会发生化学反应,生成原丝材料中不含碳的物质,导致纤维颗粒之间的团聚作用力更加强。这时候,碳纤维的产品就真正做好了。
5 f0 Q7 X9 U7 U1 G# i2 l
                                                碳纤维小提琴
4 p0 Y/ x) t6 U" }- N' R- a
       经过本期的专题介绍,相信大家对于碳纤维是如何被制造出来有了一个感性的认识,欢迎大家就本期专题跟帖讨论。下期专题为碳纤维发展历史。                              
参考网站  蝌蚪五线谱

, A& A' b3 Z$ }* {* y7 [) k$ y' c3 b4 b# H: v- w

2 v" d8 L& ]1 v1 g+ U$ |& d* R8 U

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册会员

x
回复

使用道具 举报

发表于 2017-4-11 20:10:16 | 显示全部楼层
学习 了
回复

使用道具 举报

发表于 2017-4-12 11:50:37 | 显示全部楼层
受教
7 }3 `! N* O$ ^, w6 k4 V
回复

使用道具 举报

发表于 2017-4-12 13:06:21 | 显示全部楼层
学习啦
回复

使用道具 举报

发表于 2017-4-12 13:29:12 | 显示全部楼层
感谢楼主编辑,长知识了
回复 支持 反对

使用道具 举报

发表于 2017-4-12 22:48:46 | 显示全部楼层
涨姿势了
回复

使用道具 举报

发表于 2017-4-13 08:01:46 | 显示全部楼层
学习了
回复

使用道具 举报

发表于 2017-4-13 08:24:36 | 显示全部楼层
点赞
回复

使用道具 举报

发表于 2017-4-13 09:16:10 | 显示全部楼层
见识
回复

使用道具 举报

发表于 2017-4-13 09:51:31 来自手机 | 显示全部楼层
涨知识了
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册会员

本版积分规则

小黑屋|手机版|Archiver|机械社区 ( 京ICP备10217105号-1,京ICP证050210号,浙公网安备33038202004372号 )

GMT+8, 2024-11-22 23:31 , Processed in 0.057942 second(s), 20 queries , Gzip On.

Powered by Discuz! X3.4 Licensed

© 2001-2017 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表