碳纖維是什麼材料？碳纖維材料為什麼那麼貴？

碳纖維這個詞，想必大家應該都比較熟悉了。最常見的是一些跑車，可能會用到碳纖維材料，包括現在的飛機啊飛彈什麼的，也都會用到。碳纖維為什麼這麼貴？碳纖維有什麼作用呢？碳纖維是怎麼製成的？今天，小編就帶大家了解一下碳纖維。

碳纖維在1960年代首次投放到固體火箭發動機的機殼和坦克中時，它不僅可以代替玻璃纖維，而且還可以吸收其他各種材料。

用於製造碳纖維的原料稱為前體。生產的碳纖維中約有90％由聚丙烯腈（PAN）製成。其餘的10％由人造絲或石油瀝青製成。所有這些材料都是有機聚合物，其特徵在於由碳原子結合在一起的長分子分子。每個前體的確切組成因一家公司而異，通常被認為是商業秘密。

在製造過程中，會使用各種氣體和液體。這些材料中的一些被設計為與纖維反應以達到特定的效果。其他材料設計為不與纖維起反應或防止與纖維發生某些反應。與前體一樣，許多這些處理材料的確切成分也是專有的。

碳纖維的製造過程部分是化學過程，部分是機械過程。前驅體被拉成長條或纖維，然後加熱到很高的溫度，而不讓它與氧氣接觸。沒有氧氣，纖維將無法燃燒。相反，高溫導致纖維中的原子劇烈振動，直到大部分非碳原子被排出為止。此過程稱為碳化，留下的纖維由長且緊密互鎖的碳原子鏈組成，僅剩餘少量非碳原子。

50年後，它仍然是一種奇特的材料。當然，蝙蝠俠穿上了西裝，昂貴的汽車在儀錶盤和性能部件上散布著它，但低端價格為每磅10美元，對於大規模部署而言，價格仍然太高了。我們已經使用了幾十年了。我們的材料科學摩爾定律在哪裡使這種材料便宜？為什麼這些東西仍然那麼貴？

穩定

在纖維碳化之前，需要對其進行化學改變，以將其線性原子鍵轉變為更熱穩定的梯形鍵。這是通過將空氣中的纖維加熱到大約390-590°F（200-300°C）30-120分鐘來完成的。這導致纖維從空氣中吸收氧分子並重新排列其原子鍵合模式。穩定化學反應很複雜，涉及多個步驟，其中一些步驟會同時發生。它們還會產生自己的熱量，必須對其進行控制以避免纖維過熱。在商業上，穩定化過程使用多種設備和技術。在某些過程中，纖維被拉過一系列加熱室。在另一些情況下，纖維通過熱輥並通過熱空氣流保持懸浮的鬆散物料床。

碳化

纖維穩定後，將它們在裝滿不含氧氣的氣體混合物的熔爐中加熱至約1,830-5,500°F（1,000-3,000°C）的溫度幾分鐘。氧氣的缺乏阻止了纖維在非常高的溫度下燃燒。保持爐內的氣壓高於外部氣壓，並密封纖維進出爐的位置，以防止氧氣進入。隨著纖維被加熱，它們開始以各種氣體的形式失去其非碳原子以及一些碳原子，這些氣體包括水蒸氣，氨，一氧化碳，二氧化碳，氫氣，氮氣等。隨著非碳原子的排出，剩餘的碳原子形成緊密結合的碳晶體，這些晶體或多或少地平行於纖維的長軸排列。

處理表面

碳化後，纖維的表面不能與環氧樹脂和複合材料中使用的其他材料很好地粘合。為了使纖維具有更好的粘結性能，其表面會被輕微氧化。向表面添加氧原子可提供更好的化學鍵合性能，並對表面進行蝕刻和粗糙化以獲得更好的機械鍵合性能。可以通過將纖維浸入各種氣體（例如空氣，二氧化碳或臭氧）中來實現氧化。或在各種液體（如次氯酸鈉或硝酸）中使用。也可以通過在充滿各種導電材料的浴中將纖維製成正極端子，從而對纖維進行電解塗覆。必須小心控制表面處理過程，以免形成微小的表面缺陷（例如凹坑），而這些缺陷可能導致纖維失效。

漿紗

表面處理後，對纖維進行塗覆以保護它們在纏繞或編織過程中不受損壞。此過程稱為調整大小。選擇塗層材料使其與用於形成複合材料的粘合劑兼容。典型的塗料包括環氧樹脂，聚酯，尼龍，氨基甲酸酯等。

塗覆的纖維纏繞在稱為線軸的圓柱上。將線軸裝入紡紗機中，然後將纖維捻成各種尺寸的紗線。

在碳纖維成為碳纖維之前，它開始是一種基礎材料，通常是一種有機聚合物，其碳原子將一長串稱為聚丙烯腈的分子粘合在一起。對於類似於毛衣和地毯中的丙烯酸材料的材料，這是一個大詞。但是不同於地板和衣服丙烯酸，變成一種比鋼鐵更強更輕的材料的價格更高。每磅起價三歐元的價格聽起來可能過高，但在製造過程中，數量激增。

看到，要獲得碳纖維的碳部分，原料的一半丙烯酸必須被踢掉。橡樹嶺國家實驗室聚合物基複合材料小組的鮑勃·諾裡斯解釋說：「最終產品的成本將是開始時的兩倍，因為燒掉了一半。」 「甚至在不考慮能源和設備之前，最終產品中的前體成本約為每磅5美元。」

每磅5美元的價格也是使碳纖維進入主流汽車應用的魔幻數字。七個骨頭會起作用，但五個會最大。因此，就目前而言，僅基礎材料就已經超出了預算。

還有更多。迫使丙烯酸酯釋放其非碳原子會耗費巨大的機器和大量的熱量。兩個主要加工步驟中的第一個是氧化穩定化。在這裡，纖維不斷地通過50-100英尺長的烘箱餵入，從而排出數百攝氏度範圍內的熱量。這個過程需要幾個小時，所以它是一個巨大的能量消耗者。

然後，材料經歷所謂的碳化。儘管這裡的爐子較短且使用壽命不長，但它們的工作溫度要高得多-我們在開始前的第一步需要約1000攝氏度，然後再進行一輪更高溫度的加熱。那是您甚至不想考慮的電費單。

它並沒有就此結束。製造商還必須處理在加熱過程中不會殘留的丙烯酸。需要處理廢氣，以免汙染環境。綠色並不便宜。諾裡斯說：「這涉及很多能源，很多房地產和很多大型設備。」 那只是在製造單個纖維本身。

讓我們花點時間討論一下我們在製造過程中的位置以及我們試圖達到的位置。當您想到碳纖維時，會想到那種看起來棒極，堅硬，超輕，有光澤的面板，並且具有可見的組織，對嗎？好吧，我們剛剛完成了工作。我們仍然需要將它們排列成一個網格，利用該材料的單向強度並將它們粘合在一起。

給織造產品釘釘意味著確保所有股線都在拉扯其重量。

碳纖維製造商Toho Tenax America 總裁Rob Klawonn解釋說：「您必須擔心纖維是平行的並且都被均勻拉伸。」 晶格中的波浪形線束會在直纖維上施加額外的應力，而該直束線最終會先斷裂。為了彌補編織不完美的可能性，製造商可能會將已經很昂貴的纖維多穿進必要的百分之十。

單獨地，股線並不是製造商需要的強項。它們是鋼筋一樣的鋼筋混凝土。目前，碳纖維可與熱固性樹脂一起使用。它們共同構成了一種複合材料，可以將其加工成某種形狀。問題在於，一旦樹脂在高壓釜中成型並固化，就無法在不擰緊產品結構完整性的情況下改變其形狀。一個小錯誤意味著很多浪費和時間。考慮到汽車行業衝壓車身板的速度，熱固性需要一個多小時，這是一個很長的時間。

因此，碳纖維不僅僅需要一個天才的修理就可以進入較低的價格等級，還需要對整個系統進行大修。就像任何能提供豐厚財務回報的東西一樣，這個行業也正在努力。

例如，那些毛衣類型的丙烯酸樹脂可能會代替製造商現在使用的丙烯酸樹脂。諾裡斯說：「設備的專業性較差，因此可以將前體成本降低20％至30％。」 他們還檢查了木質等可再生碳纖維原料，例如木質素，而不是目前的石油基原料。

替代的轉換過程（即將熱交換為等離子加熱）也可以降低成本。「它減少了時間，因為您不必加熱整個爐子；您可以產生等離子體來包圍燈絲，」 Norris解釋說。

科學家們還沒有完全確定使碳纖維與熱塑性樹脂一起使用的化學過程。但是，一旦這樣做，Toho Tenax America的Klawonn預計轉換過程中的成本將降低60-70％。最大的變化是熱塑性塑料快速凝固並且可以熔化和重熔，從而在出現錯誤時減少浪費。

變革即將到來。諾裡斯（Norris）指出，像空中巴士A380這樣的新型商業客機都安裝了碳纖維代替鋁。「他們正在向更加主流的方向發展，但是直到現在，一直都是有能力為此付出代價的行業。」 我們只希望成本在需要它的行業之前下降。