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知識(shí)問(wèn)答

碳纖維是如何制成的?
發(fā)布時(shí)間:2022-10-13 15:46 | 瀏覽次數(shù):




雖然碳纖維的基本材料——由碳制成的纖維——聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單,但是有無(wú)數(shù)的方法將這些相對(duì)簡(jiǎn)單的纖維與其他產(chǎn)品結(jié)合起來(lái),創(chuàng)造更壯大,更硬,并且更輕的材料深受設(shè)計(jì)工程師的青睞當(dāng)代高科技項(xiàng)目

碳纖維前驅(qū)體

碳纖維通常始于有機(jī)聚合物,稱為前體。大約90%的時(shí)間,該前體是聚丙烯腈(PAN)。偶然使用人造絲或石油瀝青代替。有機(jī)聚合物由碳原子結(jié)合的長(zhǎng)鏈分子組成。前體的組成因制造商而略有不同,確切的組成通常是一個(gè)精密珍愛(ài)的商業(yè)隱秘。

在制造過(guò)程中,可能會(huì)添加氣體,液體和其他材料,為碳纖維中創(chuàng)建各種特征。偶然會(huì)追求特定的結(jié)果;在其他時(shí)候,目的是特定反應(yīng)或防止特定反應(yīng)。同樣,過(guò)程材料的正確組合通常是公司的隱秘。

碳纖維制造工藝

一旦實(shí)現(xiàn)了精確的加工材料組合,就可以將前體拉成長(zhǎng)條或纖維,然后在惰性氣體中在高溫下加熱(熱解)以實(shí)現(xiàn)碳化。碳化會(huì)排出大多數(shù)非碳原子,從而留下長(zhǎng)且緊密編織的碳原子鏈,僅剩下少量的非碳材料。此過(guò)程通常包含五個(gè)步驟:

  1. 紡絲—將前體與其他材料混合,然后紡成纖維。然后將這些纖維洗滌并拉伸。

  2. 穩(wěn)固化-碳纖維在碳化之前必須進(jìn)行化學(xué)改變,以通過(guò)將其線性原子鍵更改為梯形鍵來(lái)使其具有更高的熱穩(wěn)固性。將纖維在空氣中加熱到200-300°C大約30分鐘到2小時(shí)。這種加熱過(guò)程迫使碳原子從空氣中吸取氧原子,并將分子重新排列成更熱穩(wěn)固的鍵合模式。必須細(xì)心控制此放熱過(guò)程,以防止纖維過(guò)熱。有多種用于穩(wěn)固碳纖維的方法。

  3. 碳化-纖維熱穩(wěn)固后,將其在無(wú)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(guò)程中,緊張的是保持爐內(nèi)的氣壓高于爐外的氣壓,并保持纖維的入口和出口密封,以防止氧氣進(jìn)入爐內(nèi)。在此高溫下,纖維排出其非碳原子,而其余的碳原子形成緊密結(jié)合的碳晶體。這些碳晶體平行于碳纖維的長(zhǎng)軸排列。

  4. 外觀處理-碳化過(guò)程使纖維具有光滑的外觀,該外觀不能與用于制造復(fù)合產(chǎn)品的環(huán)氧樹(shù)脂和其他材料很好地粘合。因此,外觀被輕微氧化。氧化使外觀具有更好的化學(xué)鍵合特征,同時(shí)還蝕刻了外觀以使化學(xué)物質(zhì)更好地粘附于外觀。偶然將纖維浸入二氧化碳,空氣或臭氧等氣體中,或?qū)⑵浣胂跛峄虼温人徕c等液體中進(jìn)行氧化。其他時(shí)候,通過(guò)將帶正電的纖維浸入導(dǎo)電材料的浴中,通過(guò)電解來(lái)實(shí)現(xiàn)氧化。無(wú)論采用哪種外觀處理方法,至關(guān)緊張的是必須在專家的細(xì)心監(jiān)督下進(jìn)行操作,以防止引入可能導(dǎo)致材料故障的外觀缺陷。

  5. 上漿—一旦氧化,就將纖維包起來(lái),以防止在纏繞到線軸上或機(jī)織成織物時(shí)損壞。涂覆過(guò)程被稱為上漿,并且上漿材料經(jīng)過(guò)細(xì)心選擇以與用于形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的粘合劑相容涂層材料可能包括聚酯,尼龍,氨基甲酸酯或環(huán)氧樹(shù)脂。

碳纖維上漿后,將它們纏繞到線軸上,然后裝入紡紗機(jī)中,然后捻成各種尺寸的紗線。然后可以將這些紗線編織成織物或形成復(fù)合材料。

 
 
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