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碳纤维是如何制成的(关于碳纤维及其制造方法、用途和未来)

碳纤维是一种重量轻且有用的材料,是通过精密工艺制造的。了解如何制造碳纤维。

碳纤维是如何制成的(关于碳纤维及其制造方法、用途和未来)

碳纤维也称为石墨纤维或碳石墨,由非常细的碳元素链组成。这些纤维具有很高的拉伸强度,并且对于它们的尺寸来说非常坚固。事实上,一种形式的碳纤维——碳纳米管——被认为是最坚固的材料。碳纤维应用包括建筑、工程、航空航天、高性能车辆、运动器材和乐器。在能源领域,碳纤维用于生产风车叶片、天然气储存和运输燃料电池。在飞机工业中,它在军用和商用飞机以及无人驾驶飞行器中都有应用。对于石油勘探,它用于制造深水钻井平台和管道。

速览:碳纤维统计

每根碳纤维的直径为 5 到 10 微米。为了让您了解它有多小,一微米 (um) 是 0.000039 英寸。单股蜘蛛网丝通常在三到八微米之间。碳纤维的硬度是钢的两倍,强度是钢的五倍(每单位重量)。它们还具有高度的耐化学性和耐高温性和低热膨胀性。

原料

碳纤维由有机聚合物制成,有机聚合物由由碳原子连接在一起的长链分子组成。大多数碳纤维(约 90%)由聚丙烯腈 (PAN) 工艺制成。少量(约 10%)由人造丝或石油沥青工艺制成。 

制造过程中使用的气体、液体和其他材料会产生特定的碳纤维效果、质量和等级。碳纤维制造商对其生产的材料使用专有配方和原材料组合,通常,他们将这些特定配方视为商业机密。

具有最有效模量(用于表示物质具有特定属性(例如弹性)的数值程度的常数或系数)性能的最高级碳纤维用于要求苛刻的应用,例如航空航天。

制造工艺

制造碳纤维涉及化学和机械过程。被称为前体的原材料被拉长成长股,然后在厌氧(无氧)环境中加热到高温。极热不是燃烧,而是导致纤维原子剧烈振动,几乎所有非碳原子都被排出。

碳化过程完成后,剩余的纤维由长而紧密的碳原子链组成,几乎没有或没有非碳原子。这些纤维随后被织成织物或与其他材料结合,然后用细丝缠绕或模压成所需的形状和尺寸。

以下五个部分是用于制造碳纤维的 PAN 工艺中的典型部分:

  1. 纺纱。PAN 与其他成分混合并纺成纤维,然后进行洗涤和拉伸。
  2. 稳定。纤维经过化学变化以稳定粘合。
  3. 碳化。稳定的纤维被加热到非常高的温度,形成紧密结合的碳晶体。
  4. 处理表面。​纤维表面被氧化以改善粘合性能。
  5. 浆纱。纤维被涂覆并缠绕在筒子上,筒子被装载到纺纱机上,将纤维捻成不同尺寸的纱线。除了编织成织物,纤维还可以形成复合材料,使用热、压力或真空将纤维与塑料聚合物粘合在一起。

碳纳米管是通过与标准碳纤维不同的工艺制造的。据估计,纳米管的强度是其前体的 20 倍,纳米管是在使用激光蒸发碳颗粒的熔炉中锻造而成。

制造挑战

碳纤维的制造面临许多挑战,包括:

  • 需要更具成本效益的恢复和维修。
  • 某些应用的制造成本不可持续:例如,尽管新技术正在开发中,但由于成本过高,碳纤维在汽车行业的使用目前仅限于高性能和豪华汽车。 
  • 必须仔细调节表面处理过程,以避免产生导致缺陷纤维的凹坑。
  • 需要密切控制以确保始终如一的质量。
  • 健康和安全问题,包括皮肤和呼吸刺激。
  • 由于碳纤维的强导电性,电气设备中的电弧和短路。

碳纤维的未来

随着碳纤维技术的不断发展,碳纤维的可能性只会越来越多样化。在麻省理工学院,几项专注于碳纤维的研究已经显示出创造新制造技术和设计以满足新兴行业需求的巨大希望。

麻省理工学院机械工程副教授约翰哈特是纳米管先驱,他一直在与他的学生合作,改造制造技术,包括研究与商业级 3D 打印机结合使用的新材料。哈特解释说:“我要求他们完全跳出常规思考;如果他们能构想出一种以前从未制造过的 3D 打印机,或者一种无法使用当前打印机打印的有用材料,”哈特解释说。

结果是打印熔融玻璃、软冰淇淋和碳纤维复合材料的原型机。根据哈特的说法,学生团队还创造了可以处理“聚合物的大面积平行挤出”并执行打印过程的“原位光学扫描”的机器。

此外,Hart 与麻省理工学院化学副教授 Mircea Dinca 合作,最近结束了与兰博基尼汽车公司为期三年的合作,以研究新型碳纤维和复合材料的可能性,这些材料有朝一日不仅“使汽车的整个车身成为用作电池系统”,但会导致“更轻、更坚固的车身、更高效的催化转化器、更薄的油漆和改进的动力总成传热[整体]”。

有了如此惊人的突破,难怪碳纤维市场预计将从 2019 年的 47 亿美元增长到 2029 年的 133 亿美元,复合年增长率 (CAGR) 超过 11.0%(或略高)同一时期。

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