【专业讲堂】碳纤维是如何加工制造的？
碳纤维是碳元素含量在92%以上一种高性能纤维，它具有很高的拉伸强度，并且在尺寸上非常坚固。实际上，另外一种形式的碳纤维—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，碳纤维被用于生产风车叶片、天然气存储和用于运输的燃料电池。在飞机工业中，它既可用于军用飞机、商用飞机，也可用于无人驾驶飞机。对于石油勘探，它用于制造深水钻井平台和管道。
原 料
碳纤维是由有机聚合物制成的，有机聚合物被碳原子保持在一起的长链分子组成。大多数碳纤维（约90％）是由聚丙烯腈（PAN）原料制成的，少量（约10％）是通过人造丝或沥青原料生产的。
制造过程中使用的气体、液体和其他材料会产生特定的效果，并形成不同质量和等级的碳纤维。碳纤维制造商使用专有配方和原料组合作为其生产的材料，通常，他们将这些特定配方视为高度商业秘密。
制造过程
碳纤维生产制造涉及化学和机械过程，前驱体通过牵伸形成连续丝状纤维，然后在惰性气氛中高温加热，从而使纤维原子剧烈振动，以至于几乎所有非碳原子都被排出。
经过高温碳化处理后，剩余的纤维由紧密的长碳原子链组成，几乎没有或没有剩余非碳原子。这些纤维随后被编织成织物或与其他材料组合，或通过长丝缠绕、模具加工等加工成期望的形状和尺寸。
在制造碳纤维的PAN过程中，以下五个部分是典型的：
聚合纺丝：AN与其他成分混合并纺成纤维，然后水洗并牵伸。
热稳定：又称预氧化，纤维经过处理后可以稳定结构结合。
碳化：预氧化后纤维被加热到非常高的温度，形成紧密结合的碳晶体。
表面处理：纤维表面氧化以改善与基体的粘合性能。
上浆：使用浆液对碳纤维进行连续浸渍上浆处理，主要目的是保护碳纤维。
生产中主要挑战
碳纤维的制造面临许多挑战，包括：
需要更具成本效益；
对于某些应用而言，即使正在开发新技术，由于成本过高也会限制其应用，如目前在汽车工业中碳纤维的使用仅限于高性能和豪华汽车；
必须仔细调控表面处理过程，以免产生纤维缺陷；
需要严格工艺控制以确保一致的质量；
健康和安全问题，包括对皮肤和呼吸道刺激；
碳纤维的强电导率导致电气设备产生电弧和短路。
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多样化并且会增加。在麻省理工学院，针对碳纤维的多项研究尤其是3D打印技术已经显示出创造新的制造技术和设计，并可满足新兴行业需求。
麻省理工学院机械工程副教授，纳米管先驱约翰·哈特（John Hart）一直在尝试改变制造技术，包括研究与商业级3D打印机结合使用的新材料。其研究结果是开发了3D打印碳纤维复合材料。
此外，Hart与MIT化学副教授Mircea Dinca合作研究新型碳纤维和复合材料的可能性，这些可能性有一天不仅可以“使汽车的整体结构成为现实”。当用作电池系统”，会形成“更轻更坚固的车身、更高效的催化转化器、更薄的涂料以及改进的动力总成传热”。