碳纖維制品分享碳纖維是什么材料？碳纖維材料為什么那么貴？

碳素纖維這個(gè)詞，想必大家都比較熟悉。大多數(shù)普通的跑車都會(huì)用到碳纖維材料，包括現(xiàn)在使用的飛機(jī)啊導(dǎo)彈之類的。為什么碳纖維如此昂貴？碳素纖維的作用是什么？怎樣制作碳纖維？今日小編就帶你去了解一下碳纖維。

一、60年代，碳纖維被放入固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體和油箱中，它不僅取代了玻璃纖維，而且還能吸收各種其它材料。生產(chǎn)碳纖維所用的原料叫做前體。所產(chǎn)碳纖維中約90%是由PAN(PAN)制成的。另外10%是用人造絲或石油瀝青做成的。這三種材料都是有機(jī)聚合物，以碳原子結(jié)合成長分子為特征。每一個(gè)前體細(xì)胞的確切成分因公司而異，通常被視為商業(yè)秘密。

兩種不同的氣體和液體將用于生產(chǎn)過程中。其中有些物質(zhì)是為了與纖維發(fā)生反應(yīng)而設(shè)計(jì)的特殊效果。其它材料被設(shè)計(jì)成不與纖維發(fā)生反應(yīng)，或者避免與纖維發(fā)生反應(yīng)。和前體細(xì)胞一樣，許多這些加工材料的確切成分是專有的。碳纖的生產(chǎn)過程既有化學(xué)工藝，又有機(jī)械工藝。先驅(qū)被拉成長條或纖維，然后在不接觸氧氣的情況下加熱到非常高的溫度。若無氧，纖維不能燃燒。反之，高溫會(huì)使纖維中的原子發(fā)生劇烈振動(dòng)，直到排出大部分非碳原子。這個(gè)過程叫做碳化，剩下的纖維是由長的、緊密相連的碳原子鏈組成，只剩下少量的非碳原子。

三百五十年后，它仍是一種獨(dú)特的材料。蝙蝠俠穿上了西服，昂貴的汽車把它裝在儀表盤和性能部件上，但是低端的價(jià)格是每磅10美元，對大規(guī)模部署來說還是太高了。幾十年來我們一直在用。材料學(xué)摩爾定律使得這種材料如此便宜嗎？這東西怎么這么貴??？

要使纖維碳化，就必須對其進(jìn)行化學(xué)處理，使其線性原子鍵變?yōu)闊岱€(wěn)定的梯形鍵。把空氣中的纖維加熱到390-590°F(200-300°C)的30-120分鐘，就可以達(dá)到這個(gè)效果。這樣，纖維就能從空氣中吸收氧分子，并重新排列它的原子連接?；瘜W(xué)穩(wěn)定性是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到許多步驟，其中一些會(huì)同時(shí)發(fā)生。他們自己也會(huì)產(chǎn)生熱量，必須加以控制以避免纖維過熱。商用上，穩(wěn)定工藝采用多種設(shè)備和技術(shù)。特定的工藝條件下，纖維被拉入一系列加熱室。其他情況下，纖維通過熱輥和熱空流使纖維懸浮在一種疏松的料床上。

四、碳化

當(dāng)纖維穩(wěn)定后，將其加熱到大約1,830-5,500°F(1,000-3,000°C)的高溫爐子里，并加入無氧混合氣體。由于缺少氧，纖維無法在很高的溫度下燃燒。將爐內(nèi)氣壓保持在爐外氣壓以上，并將纖維的進(jìn)進(jìn)出出位置密封，防止氧氣進(jìn)入。當(dāng)纖維被加熱時(shí)，它們就會(huì)失去各種形式的非碳原子，以及一些碳原子，如水蒸氣、氨、一氧化碳、二氧化碳、氫、氮等等。當(dāng)無碳原子排出后，剩余的碳原子形成了與纖維軸向方向平行的緊密結(jié)合的碳晶體。

表面處理。

五、經(jīng)碳化處理后，纖維表面不能與環(huán)氧樹脂及復(fù)合材料中使用的其它材料粘結(jié)。為使纖維具有較好的結(jié)合性能，纖維表面會(huì)發(fā)生輕微的氧化。將氧原子加入表面，可以改善化學(xué)鍵合性能，并且可以通過腐蝕和粗糙處理來改善機(jī)械鍵合性能。將纖維浸入各種氣體(如空氣、二氧化碳或臭氧)中，就能產(chǎn)生氧化作用?；蛘哂糜诟鞣N液體中(例如次氯酸鈉和硝酸)。亦可將纖維制成正極子，在充滿各種導(dǎo)電材料的浴缸中，從而將其電解涂覆。一定要注意控制表面處理工藝，以避免形成微小的表面缺陷(如凹坑)，從而導(dǎo)致纖維失效。

漿

六、表面處理后，應(yīng)涂覆纖維以防止纖維在纏繞或編織過程中受損。這個(gè)過程叫做調(diào)整大小。選用涂層材料，使其與粘合劑相容以形成復(fù)合材料。主要涂料有環(huán)氧、聚酯、尼龍、氨基甲酸酯等。涂布的纖維纏繞在一個(gè)叫做線軸的圓柱上。在紡紗機(jī)上裝上線軸，然后把纖維捻成各種規(guī)格的紗。

最初，碳纖維還沒有變成碳纖維，它是一種基本材料，通常是一種有機(jī)聚合物，其碳原子粘結(jié)了一長串叫做PAN的分子。就像羊毛衫和地毯里的丙烯酸材料一樣，這個(gè)詞很大。但與地板和衣料不同的是，制造一種比鋼鐵強(qiáng)度更輕的材料要昂貴得多。三歐元一磅的價(jià)格聽起來太高了，但是在生產(chǎn)過程中，數(shù)量猛增。

要想得到碳纖維的碳部分，原料中的一半丙烯酸就必須被去除。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室聚合物復(fù)合團(tuán)隊(duì)的鮑勃·諾里斯解釋道：“由于燃燒掉了一半，最終產(chǎn)品的成本將會(huì)是最初的兩倍?！痹跊]有考慮到能量和設(shè)備之前，最終產(chǎn)品的先質(zhì)成本大約是5美元每磅。

5美元一磅的價(jià)格也是將碳纖維應(yīng)用于主流汽車的神奇數(shù)字。7塊骨頭管用，5塊骨頭。所以，就目前而言，光是基本材料就超出了預(yù)算。

還不止這些強(qiáng)迫丙烯酸酯釋放它的非碳原子需要龐大的機(jī)器和大量的熱量。其中最主要的一步是進(jìn)行氧化穩(wěn)定處理。纖維不斷地通過50-100英尺長的烘箱被喂入，從而在數(shù)百攝氏度范圍內(nèi)排放熱量。這一過程耗時(shí)數(shù)小時(shí)，因此這是一個(gè)巨大的能量消耗。

這些物質(zhì)經(jīng)歷了所謂的碳化。雖然這里的火爐很短，而且使用時(shí)間也不長，但是他們的工作溫度高得多——在開始之前，我們需要大約1000攝氏度，然后進(jìn)行一輪更高溫度的加熱。你根本就不會(huì)想要這個(gè)電費(fèi)單。

但事情還沒有結(jié)束。生產(chǎn)商也必須處理在加熱期間沒有殘余的丙烯酸。尾氣要處理，以免污染環(huán)境。環(huán)保可不便宜。Norris說：“這涉及許多能源、房地產(chǎn)和大型設(shè)備。這只是制造了單獨(dú)的纖維本身。

咱們來談?wù)勎覀冊谥圃爝^程中所處的位置，以及我們要達(dá)到的目標(biāo)。說到碳纖維，你會(huì)想到看起來極棒、堅(jiān)硬、超輕、光亮、有可見組織的面板，對吧？嗯，我們剛干完活。還需要把它們排列成網(wǎng)狀，利用材料的單向強(qiáng)度，把它們粘在一起。

織制品用釘子的意思是要保證所有的線都被拉得很緊。

碳素纖維制造商TohoTenaxAmerica的總裁RobKlawonn解釋道：“你必須要擔(dān)心的是，纖維是平行的，并且全部均勻地拉伸。格子中的波浪形線束會(huì)對直纖維施加額外的應(yīng)力，而直纖維最終會(huì)首先斷裂。為補(bǔ)償編織不完美的可能性，生產(chǎn)商可能會(huì)在必要時(shí)增加10%已經(jīng)非常昂貴的纖維。

單就股票而言，它們并非制造商所需的優(yōu)勢。他們都是鋼筋混凝土制成的。現(xiàn)在碳纖維可以用來制作熱固性樹脂。他們一起組成的復(fù)合材料能夠被加工成某種形狀。但問題是，一旦樹脂在壓力鍋中成型和固化，如果不對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體性進(jìn)行調(diào)整，就無法改變其形狀。小小的錯(cuò)誤就意味著許多時(shí)間的浪費(fèi)。在汽車工業(yè)中，沖壓車體板的速度要比熱固性快一個(gè)多小時(shí)，這是一個(gè)漫長的過程。

所以碳纖維并不只是需要天才的維修才能達(dá)到較低的價(jià)格水平，它還需要大修整個(gè)系統(tǒng)。正如任何能帶來豐厚經(jīng)濟(jì)回報(bào)的事情，這個(gè)行業(yè)也在努力。

舉例來說，毛衣類丙烯酸樹脂可以替代目前生產(chǎn)商所用的產(chǎn)品。Norris說：“這種設(shè)備的專業(yè)程度很低，所以前體成本可以降低20%到30%。研究人員也研究了諸如木質(zhì)素等可再生碳纖維原料，而非當(dāng)前以石油為基礎(chǔ)的原料。

另一種轉(zhuǎn)換過程(熱交換，等離子加熱)也可以降低成本?！边@會(huì)縮短時(shí)間，因?yàn)槟悴恍枰訜嵴麄€(gè)火爐；你可以制造出等離子體來包圍電燈絲。

將碳纖維與熱塑性樹脂結(jié)合使用的化學(xué)反應(yīng)，科學(xué)家尚未完全確定。但一旦實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，TohoTenaxAmerica的Klawonn預(yù)計(jì)，轉(zhuǎn)換的成本將下降60-70%。