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碳纤维是如何制成的(碳纤维制造工艺、挑战和未来)

碳纤维是如何制成的(碳纤维制造工艺、挑战和未来)

也称为石墨纤维或碳石墨,碳纤维由非常细的碳元素股线制成。碳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。它也是一种非常的材料。 

每根纤维的直径为 5-10 微米。为了说明它有多小,一微米是 0.0001 毫米。一根蜘蛛网丝的直径在 3 到 8 微米之间。 

特点及应用

碳纤维的硬度是钢的两倍,强度是钢的五倍。另一个特点是它们具有高度的耐化学性,并且具有低热膨胀的高温耐受性。 

在制造飞机、高性能车辆、运动器材和乐器等方面,碳纤维是重要的工程材料。 

碳纤维是如何制成的 

碳纤维由有机聚合物制成。这些聚合物由由碳原子连接在一起的长链分子组成。大约 90% 的碳纤维是由聚丙烯腈 (PAN) 工艺制成的。其余 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某些效果、质量和等级的碳纤维。具有最佳模量特性的最高等级碳纤维用于要求苛刻的应用,例如航空航天工业。 

碳纤维制造商在使用的原材料组合方面各不相同。他们通常将其特定配方视为商业秘密。 

制造工艺 

在制造过程中,称为前体的原材料被拉制成长纤维束。然后将纤维编织成织物。它们也可以与其他材料结合使用,这些材料被缠绕或模制成所需的形状和尺寸。

制造过程如下:

  1. 纺纱。PAN与其他成分混合并纺成纤维,经过洗涤和拉伸。
  2. 稳定。化学变化以稳定键合。
  3. 碳化。稳定的纤维加热到非常高的温度以形成紧密结合的碳晶体。
  4. 处理表面。纤维表面被氧化以提高粘合性能。
  5. 浆纱。纤维被涂覆并缠绕到线轴上。然后将它们装载到纺纱机上,将纤维捻成不同尺寸的纱线。 

代替编织成织物,纤维可以形成复合材料。为了形成复合材料,可以使用热、压力或真空将纤维与塑料聚合物粘合在一起。 

需要考虑的事项

碳纤维的制造面临许多挑战,包括:

  • 需要更具成本效益的回收和修复
  • 必须仔细调节表面处理过程,以避免产生可能导致纤维缺陷的凹坑。
  • 需要严密控制以确保始终如一的质量
  • 由于碳纤维 的强导电性,电气设备中的电弧和短路。
  • 健康和安全问题,其中包括皮肤刺激和呼吸问题。  

碳纤维的未来

2019 年碳纤维市场规模预计为 47 亿美元,预计到 2024 年将达到 78 亿美元,复合年增长率为 10.6%。由于航空航天和国防、汽车和风能行业的需求不断增加,碳纤维市场正在增长。

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