【技术干货】漫话碳纤维——碳纤维的制备、特性及主要应用

篇首语：在本公众号前两期漫话碳纤维系列——《漫话碳纤维》（阅读原文）、《漫话碳纤维的前世今生》（阅读原文）中分别介绍了碳纤维特性和发展历史，本文则以科普形式介绍了碳纤维加工流程、关键指标以及最主要的应用领域。

碳纤维通常由聚丙烯腈（PAN）纤维通过氧化和更高温度的碳化制成。PAN是一种用于制造合成材料的基于丙烯腈的聚合物。PAN分子由长链制成，在合适的条件下通过对分子链进行加热时，它们会左右结合形成梯形聚合物。

通过进一步的碳化处理，它们可以形成圆形长丝，该产品的碳含量约为94-95％。除了PAN，也可以使用沥青或人造丝，但这两种产生纤维品质较低。如果将碳纤维在1500-3000摄氏度的范围内进行进一步热处理，则纤维可以成为模量更高的高强高模碳纤维，由于其含碳量在99%以上、具有类似石墨结构，因此又称为石墨纤维。

通过在1500至2000度之间热处理，纤维可以产生最高的抗张强度（> 800,000 psi）；通过将纤维材料从2500度加热到3000度，可以获得最高的弹性模量（77,000,000 psi）。强度和弹性之间的这种平衡使碳纤维发动机罩既坚固又耐用。

碳纤维密度约为1740 kg/m³。按照模量高低，碳纤维可以分为三种：标准模量，中模量和高模量，而纤维的拉伸强度大多介于2000MPa和7000MPa之间。人造丝曾经是碳纤维最早的前驱体，并且至今仍在某些应用如火箭中使用。

碳纤维很少单独使用，一些常见的的处理技术包括：长丝缠绕、编织、预浸料（预浸渍的碳纤维）和拉挤成型等。在制造过程中产生的长丝被绞成纱线。该纱线通过其线密度进行评级和分类。线密度由每单位长度的重量tex（每千米重量克数）确定。它可用于编织碳纤维长丝布或织物。织物上的图案通常取决于纱线的密度和所选的编织方式。

那么碳纤维在哪里？如果您一直在寻找碳纤维复合材料，您可能会发现它很难找到。所有这些碳纤维都去哪儿了？全球范围内碳纤维短缺，主要是因为三个最大的用户购买碳纤维的速度比其生产速度快。

首先是军事领域。由于碳纤维的重量比某些金属轻100倍，因此非常适合飞机使用。F-22 Raptor具有超过350个碳纤维/环氧树脂复合材料零件。联合战斗机近1/3由碳纤维和玻璃纤维制成。除上述飞机外，碳纤维还用于黑鹰直升机、防弹衣、头盔、皮套和无数其他军事应用。此外，在隐身技术中也已经大量使用了碳纤维。

碳纤维的第二大买家是空客公司。空客Superjumbo A380和A350由大量碳纤维制成。A380飞机很大，可容纳850名乘客，并且翼展大于足球场的长度！

第三个买家是波音公司。他们正在制造787 Dreamliner。它含有50％的碳纤维，重量很轻，可以从英国飞往澳大利亚而无需加油。

（参考来源 ill Street Composites）