碳纖維是如何製成的？

雖然碳纖維的基本材料——由碳製成的纖維——聽起來很簡單，但是有無數的方法將這些相對簡單的纖維與其他產品結合起來，創造更強大，更硬，並且更輕的材料深受設計工程師的青睞現代高科技項目。

碳纖維前驅體

碳纖維通常始於有機聚合物，稱為前體。大約90％的時間，該前體是聚丙烯腈（PAN）。有時使用人造絲或石油瀝青代替。有機聚合物由碳原子結合的長鏈分子組成。前體的組成因製造商而略有不同，確切的組成通常是一個嚴密保護的商業秘密。

在製造過程中，可能會添加氣體，液體和其他材料，為碳纖維中創建各種特性。有時會尋求特定的效果；在其他時候，目的是特定反應或防止特定反應。同樣，過程材料的精確組合通常是公司的秘密。

碳纖維製造工藝

一旦實現了正確的加工材料組合，就可以將前體拉成長條或纖維，然後在惰性氣體中在高溫下加熱（熱解）以實現碳化。碳化會排出大多數非碳原子，從而留下長且緊密編織的碳原子鏈，僅剩下少量的非碳材料。此過程通常包含五個步驟：

1. 紡絲—將前體與其他材料混合，然後紡成纖維。然後將這些纖維洗滌並拉伸。
2. 穩定化-碳纖維在碳化之前必須進行化學改變，以通過將其線性原子鍵更改為梯形鍵來使其具有更高的熱穩定性。將纖維在空氣中加熱到200-300°C大約30分鐘到2小時。這種加熱過程迫使碳原子從空氣中吸收氧原子，並將分子重新排列成更熱穩定的鍵合模式。必須仔細控制此放熱過程，以防止纖維過熱。有多種用於穩定碳纖維的方法。
3. 碳化-纖維熱穩定後，將其在無氧的情況下加熱至1,000-3,000°C保持幾分鐘。氧氣的缺乏阻止了纖維在如此高的熱量下燃燒。在此過程中，重要的是保持爐內的氣壓高於爐外的氣壓，並保持纖維的入口和出口密封，以防止氧氣進入爐內。在此高溫下，纖維排出其非碳原子，而其餘的碳原子形成緊密結合的碳晶體。這些碳晶體平行於碳纖維的長軸排列。
4. 表面處理-碳化過程使纖維具有光滑的表面，該表面不能與用於製造複合產品的環氧樹脂和其他材料很好地粘合。因此，表面被輕微氧化。氧化使表面具有更好的化學鍵合特性，同時還蝕刻了表面以使化學物質更好地粘附於表面。有時將纖維浸入二氧化碳，空氣或臭氧等氣體中，或將其浸入硝酸或次氯酸鈉等液體中進行氧化。其他時候，通過將帶正電的纖維浸入導電材料的浴中，通過電解來實現氧化。無論採用哪種表面處理方法，至關重要的是必須在專家的仔細監督下進行操作，以防止引入可能導致材料故障的表面缺陷。
5. 上漿—一旦氧化，就將纖維包起來，以防止在纏繞到線軸上或機織成織物時損壞。塗覆過程被稱為上漿，並且上漿材料經過仔細選擇以與用於形成複合結構的粘合劑相容。塗層材料可能包括聚酯，尼龍，氨基甲酸酯或環氧樹脂。

碳纖維上漿後，將它們纏繞到線軸上，然後裝入紡紗機中，然後捻成各種尺寸的紗線。然後可以將這些紗線編織成織物或形成複合材料。