碳纤维制品分享碳纤维是什么材料？碳纤维材料为什么那么贵？

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碳素纤维这个词，想必大家都比较熟悉。大多数普通的跑车都会用到碳纤维材料，包括现在使用的飞机啊导弹之类的。为什么碳纤维如此昂贵？碳素纤维的作用是什么？怎样制作碳纤维？今日小编就带你去了解一下碳纤维。

一、60年代，碳纤维被放入固体火箭发动机的壳体和油箱中，它不仅取代了玻璃纤维，而且还能吸收各种其它材料。生产碳纤维所用的原料叫做前体。所产碳纤维中约90%是由PAN(PAN)制成的。另外10%是用人造丝或石油沥青做成的。这三种材料都是有机聚合物，以碳原子结合成长分子为特征。每一个前体细胞的确切成分因公司而异，通常被视为商业秘密。

两种不同的气体和液体将用于生产过程中。其中有些物质是为了与纤维发生反应而设计的特殊效果。其它材料被设计成不与纤维发生反应，或者避免与纤维发生反应。和前体细胞一样，许多这些加工材料的确切成分是专有的。碳纤的生产过程既有化学工艺，又有机械工艺。先驱被拉成长条或纤维，然后在不接触氧气的情况下加热到非常高的温度。若无氧，纤维不能燃烧。反之，高温会使纤维中的原子发生剧烈振动，直到排出大部分非碳原子。这个过程叫做碳化，剩下的纤维是由长的、紧密相连的碳原子链组成，只剩下少量的非碳原子。

三百五十年后，它仍是一种独特的材料。蝙蝠侠穿上了西服，昂贵的汽车把它装在仪表盘和性能部件上，但是低端的价格是每磅10美元，对大规模部署来说还是太高了。几十年来我们一直在用。材料学摩尔定律使得这种材料如此便宜吗？这东西怎么这么贵啊？

要使纤维碳化，就必须对其进行化学处理，使其线性原子键变为热稳定的梯形键。把空气中的纤维加热到390-590°F(200-300°C)的30-120分钟，就可以达到这个效果。这样，纤维就能从空气中吸收氧分子，并重新排列它的原子连接。化学稳定性是一个复杂的过程，涉及到许多步骤，其中一些会同时发生。他们自己也会产生热量，必须加以控制以避免纤维过热。商用上，稳定工艺采用多种设备和技术。特定的工艺条件下，纤维被拉入一系列加热室。其他情况下，纤维通过热辊和热空流使纤维悬浮在一种疏松的料床上。

四、碳化

当纤维稳定后，将其加热到大约1,830-5,500°F(1,000-3,000°C)的高温炉子里，并加入无氧混合气体。由于缺少氧，纤维无法在很高的温度下燃烧。将炉内气压保持在炉外气压以上，并将纤维的进进出出位置密封，防止氧气进入。当纤维被加热时，它们就会失去各种形式的非碳原子，以及一些碳原子，如水蒸气、氨、一氧化碳、二氧化碳、氢、氮等等。当无碳原子排出后，剩余的碳原子形成了与纤维轴向方向平行的紧密结合的碳晶体。

表面处理。

五、经碳化处理后，纤维表面不能与环氧树脂及复合材料中使用的其它材料粘结。为使纤维具有较好的结合性能，纤维表面会发生轻微的氧化。将氧原子加入表面，可以改善化学键合性能，并且可以通过腐蚀和粗糙处理来改善机械键合性能。将纤维浸入各种气体(如空气、二氧化碳或臭氧)中，就能产生氧化作用。或者用于各种液体中(例如次氯酸钠和硝酸)。亦可将纤维制成正极子，在充满各种导电材料的浴缸中，从而将其电解涂覆。一定要注意控制表面处理工艺，以避免形成微小的表面缺陷(如凹坑)，从而导致纤维失效。

浆

六、表面处理后，应涂覆纤维以防止纤维在缠绕或编织过程中受损。这个过程叫做调整大小。选用涂层材料，使其与粘合剂相容以形成复合材料。主要涂料有环氧、聚酯、尼龙、氨基甲酸酯等。涂布的纤维缠绕在一个叫做线轴的圆柱上。在纺纱机上装上线轴，然后把纤维捻成各种规格的纱。

最初，碳纤维还没有变成碳纤维，它是一种基本材料，通常是一种有机聚合物，其碳原子粘结了一长串叫做PAN的分子。就像羊毛衫和地毯里的丙烯酸材料一样，这个词很大。但与地板和衣料不同的是，制造一种比钢铁强度更轻的材料要昂贵得多。三欧元一磅的价格听起来太高了，但是在生产过程中，数量猛增。

要想得到碳纤维的碳部分，原料中的一半丙烯酸就必须被去除。橡树岭国家实验室聚合物复合团队的鲍勃·诺里斯解释道：“由于燃烧掉了一半，最终产品的成本将会是最初的两倍。”在没有考虑到能量和设备之前，最终产品的先质成本大约是5美元每磅。

5美元一磅的价格也是将碳纤维应用于主流汽车的神奇数字。7块骨头管用，5块骨头。所以，就目前而言，光是基本材料就超出了预算。

还不止这些强迫丙烯酸酯释放它的非碳原子需要庞大的机器和大量的热量。其中最主要的一步是进行氧化稳定处理。纤维不断地通过50-100英尺长的烘箱被喂入，从而在数百摄氏度范围内排放热量。这一过程耗时数小时，因此这是一个巨大的能量消耗。

这些物质经历了所谓的碳化。虽然这里的火炉很短，而且使用时间也不长，但是他们的工作温度高得多——在开始之前，我们需要大约1000摄氏度，然后进行一轮更高温度的加热。你根本就不会想要这个电费单。

但事情还没有结束。生产商也必须处理在加热期间没有残余的丙烯酸。尾气要处理，以免污染环境。环保可不便宜。Norris说：“这涉及许多能源、房地产和大型设备。这只是制造了单独的纤维本身。

咱们来谈谈我们在制造过程中所处的位置，以及我们要达到的目标。说到碳纤维，你会想到看起来极棒、坚硬、超轻、光亮、有可见组织的面板，对吧？嗯，我们刚干完活。还需要把它们排列成网状，利用材料的单向强度，把它们粘在一起。

织制品用钉子的意思是要保证所有的线都被拉得很紧。

碳素纤维制造商TohoTenaxAmerica的总裁RobKlawonn解释道：“你必须要担心的是，纤维是平行的，并且全部均匀地拉伸。格子中的波浪形线束会对直纤维施加额外的应力，而直纤维最终会首先断裂。为补偿编织不完美的可能性，生产商可能会在必要时增加10%已经非常昂贵的纤维。

单就股票而言，它们并非制造商所需的优势。他们都是钢筋混凝土制成的。现在碳纤维可以用来制作热固性树脂。他们一起组成的复合材料能够被加工成某种形状。但问题是，一旦树脂在压力锅中成型和固化，如果不对产品结构进行整体性进行调整，就无法改变其形状。小小的错误就意味着许多时间的浪费。在汽车工业中，冲压车体板的速度要比热固性快一个多小时，这是一个漫长的过程。

所以碳纤维并不只是需要天才的维修才能达到较低的价格水平，它还需要大修整个系统。正如任何能带来丰厚经济回报的事情，这个行业也在努力。

举例来说，毛衣类丙烯酸树脂可以替代目前生产商所用的产品。Norris说：“这种设备的专业程度很低，所以前体成本可以降低20%到30%。研究人员也研究了诸如木质素等可再生碳纤维原料，而非当前以石油为基础的原料。

另一种转换过程(热交换，等离子加热)也可以降低成本。”这会缩短时间，因为你不需要加热整个火炉；你可以制造出等离子体来包围电灯丝。

将碳纤维与热塑性树脂结合使用的化学反应，科学家尚未完全确定。但一旦实现了这一目标，TohoTenaxAmerica的Klawonn预计，转换的成本将下降60-70%。