什么是碳纤维?

　　碳纤维(carbon fiber，CF) 是一种延续细丝碳材料，直径范围在6~8μm内，仅为人的头发丝的1/3左右，是近数十年来为知足高性能飞机对材料的需求而发展起来的一种新型材料。尽管碳纤维的含碳量在90%以上，但是它的制备不是直接用碳材料抽取的。碳材料不溶于任何溶剂，也不能用熔融纺丝法制取，而是由有机高分子纤维，即聚丙烯腊纤维，或石油沥青或煤沥青纤维经专门的碳化处理而制得的。用于制备碳纤维的有机纤维称为前驱体或原丝。在美国，碳纤维也被称为石墨纤维(graphite fiber)，但真正意义上的石墨纤维是将响应的有机前驱体纤维制成碳纤维后，再经2000~ 3300℃石墨化处理后而得到的纤维材料，含碳量高达99%，因此弹性模量也大为进步，用石墨纤维制造的复合材料，不仅轻质高强，而且刚性和尺寸稳固性分外好，在航天应用中，被用来制造卫星天线或太阳能电池矩阵。

　　碳纤维的研究开发启迪于对20世纪50年代开发的玻璃纤维复合材料性能的熟悉和经验。通常的玻璃纤维复合材料，密度要高出碳纤维复合材料1/3 以上，而拉伸强度仅是碳纤维复合材料的2/3，模量则更低，不到1/3，知足不了高性能飞机的要求，因此研究高强、高模及低密的加强纤维成为发展高性能纤维复合材料的前提。在碳纤维之前，曾经开发过硼纤维，1960年钨丝芯硼纤维开始了小批量的生产，硼纤维直径约100μm，拉伸模量达400GPa，拉伸强度达3800MPa，纤维体积分数为60%的硼纤维加强环氧复合材料(相对密度≈2.0)，拉伸模量达200GPa，比玻璃纤维复合材料(相对密度≈1.8)的拉伸模量(40GPa) 大5倍，比铝合金(相对密度≈2.7) 的拉伸模量(70Pa)大3倍，因此美国空军材料实验室将

　　硼纤维/环氧复材料命名为先辈复合材料(advanced composite materials，ACM)，并于20世纪的年代后期开始了在飞机结构上的应用，如飞机水平尾翼和垂直安定面翼盒结构等。

　　但是，硼纤维生产工艺复杂, 成本高，硼纤维自己粗硬，很难在结构上推广应用。

　　在这种背景下，于20世纪60年代后期，创新型的聚丙烯腈基碳纤维研发成功并实现批量生产，从此开始了碳纤维复合材料在航空航天领域应用的里程砷. 因为碳纡维复合材料优秀的综合性能，分外是超常的高比强度和比模量，使结构的服从得以极大程度的发挥，因而到目前为止，被看成是一种理想的航空航天结构材料，近50年来，它在航空航天领域的应用得到了长足的发展。

　　此外，碳纤维还具有耐腐蚀、抗委靡、耐高温、膨胀系数小、尺寸稳固性高、导电等好处。

　　目前碳纤维重要从原丝类型、使用性能方面进行分类。

　　按原丝类型分类有聚丙烯腈基纤维、沥青基纤维、黏胶基纤维、木质素纤维基纤维和其他有机纤维基碳纤维。

　　按使用性能分则有通用级碳纤维(其拉伸强度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa)和高性能碳纤维，包括：高强型(强度2000MPa，模量250GPa)、高模型(模量300GPa以上)、超高强型(强度大于4000MPa)、超高模型(模量大于450GPa)，还有高强-高模、中强-中模等碳纤维。

　　商品化的碳纤维主流产品有两大类，一是聚丙烯腈基碳纤维(PANbaseCF)，二是沥青基碳纤维(pitch-base CF)。

　　同玻璃纤维一样，用作加强体的碳纤维可以是纤维自己，包括延续、长、短纤维，以及各种纤维织物、布、带、毡等。

　　如此性能优秀的碳纤维是怎样制成的?

　　尽管碳纤维重要由碳组成，微观结构也和石墨特别很是接近;然而，人们至今还不能直接用碳或石墨来制取碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维质料，将有机纤维与塑料树脂结合在一路炭化制得碳纤维。

　　被选用来制备碳纤维的有机纤维重要包括:聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维等，其中应用较普遍的是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。选用不同的有机纤维作为质料，对详细的工艺参数会有不同的要求，制备出来的碳纤维的性能也会有肯定的差异。

　　然而，在这过程中，普遍必要经历纤维纺丝、热稳固化(预氧化)、氧化、碳化四个过程，其间伴随着脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等化学转变。经过这些过程以后，我们就可以得到碳纤维的原丝。

　　然而，制备出原丝并不意味着制备碳纤维的过程就结束了。制备出原丝后，还必要经过上浆和固化的过程。所谓的上浆就是将原丝和环氧树脂混合的过程。上浆过程使用的方法可以许多，可以通过主动放置机械会将碳纤维浸泡在环氧树脂中，也可以人工地将环氧树脂和其他高分子与碳纤维混合起来。

　　上浆结束后，就必要经过最后的一个程序，那就是固话。固化过程常用到的方法是加热，或者将环氧树脂放在真空中加压。固化重要是让包裹了环氧树脂的碳纤维硬化;此外，在固化过程中，碳纤维可能会发生化学反应，生成原丝材料中不含碳的物质，导致纤维颗粒之间的团圆作用力更增强。这时候，碳纤维的产品就真正做好了。