一文簡要了解碳纖維複合材料的特性、生產流程及加工方法

2020-12-20 藍鯨騰飛

碳纖維是以高質量聚丙烯腈(PAN)為原料經過特殊工藝加工而成，PAN基碳纖維束絲中擁有1000至48000根單絲，每根單絲直徑為5-7μm。碳纖維通常與樹脂一起固化形成複合材料。

與金屬（例如鋁）或其他纖維增強複合材料製造的零部件相比，碳纖維複合材料部件質量輕、強度大。獨特的性能加之可設計性，令碳纖維成為各種工藝和應用的理想選擇。

1、碳纖維的優異特性

1.1 主要力學性能：

①高強度

②高模量

③低密度

④低蠕變率

⑤吸振性良好

⑥耐疲勞

1.2 化學性能

①化學惰性

②無腐蝕性

③強耐酸、耐鹼以及耐有機溶劑性zui

1.3 熱學、電學性能

①低熱膨脹

②低導熱率

③低X光吸收率

④無磁性

⑤高導電率

2、碳纖維的生產流程

①碳纖維生產是高能耗的過程。由於加工都是準連續的過程，因此，每個產品批次的生產時間可能需要數周。

②生產從經過特別處理的高質量聚丙烯腈(PAN)原絲開始。

③然後，PAN原絲經過牽伸從而實現分子優化和結構取向。

④PAN原絲在線質量控制以確保過程的連續性和高效性。

⑤原絲接觸高溫空氣，變成預氧化聚丙烯腈纖維。

⑥將PAN預氧化纖維置於氮氣高溫爐中，逐步升高的溫度，碳化成碳纖維。碳纖維在1,000–1,500°C以上進行終碳化，令其獲得強度和剛性，並確保其它材料性能。

⑦高模量碳纖維類型還要在2,000–3,000 °C下完成石墨化。

⑧對碳纖維進行表面處理或氧化蝕刻，令表面具有活性。

⑨塗覆聚合物塗層（上漿），提高纖維加工性、含浸性以及結合性。

⑩將連續纖維纏繞到線軸之上。

此外，還可切斷形成短切碳纖維或經研磨形成研磨纖維。

3、碳纖維的加工方法

3.1 幹法加工

①預成型體

②織物

③炭繩

④多軸向織物/無屈曲織物(NCF)

⑤單向織物/經編織物

⑥特種紙

3.2 溼法加工/配合樹脂加工

①熱固性預浸料

②熱塑性帶

③纏繞

④RTM、VARTM以及SCRIMP

⑤其它樹脂注入工藝，譬如RIM與SRIM

拉擠成型

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