碳纖維前驅(qū)體

碳纖維通常始于有機(jī)聚合物，稱(chēng)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(xiàn)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(zhuān)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(xiàn)軸上或機(jī)織成織物時(shí)損壞。涂覆過(guò)程被稱(chēng)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(xiàn)軸上，然后裝入紡紗機(jī)中，然后捻成各種尺寸的紗線(xiàn)。然后可以將這些紗線(xiàn)編織成織物或形成復(fù)合材料。