如何用碳制作碳纤维

制作碳纤维简单的方法是:

用碳布一层层包裹，每层之间有粘胶，先在200－300℃的空气中进行预氧化，然后在惰性气体保护下用1000℃左右的高温完成碳化，最后加热到1500－3000℃成碳纤维。

粘胶是有毒的，另外碳纤维碎屑非常细，吸入肺部严重影响健康。

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。

它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。

碳纤维制造过程包含这4个步骤

碳纤维并不是只有一种，而且碳纤维自身也有性能强弱之分，因此想要制造出符合需求的碳纤维并不是一件容易的事情。目前碳纤维有PAN基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维几种，其中PAN基碳纤维的使用更为广泛。想要生产出PAN基碳纤维，需要经过纺丝、预氧化、碳化和石墨化等处理。

1、纺丝：PAN基指的是聚丙烯腈聚合物，在制备碳纤维之前，需要将聚丙烯腈与水溶剂混合制得15%的纺丝液，再通过湿法纺丝或干湿法纺丝等方式获得PAN原丝，制得的PAN原丝需要还要使用纬织机织成布，然后再进行下一步的操作。

2、预氧化处理：预氧化是PAN基碳纤维制备最为重要的一个步骤，预氧化可分为2段进行。首先聚丙烯腈纤维布与催化剂同时存放于200~220℃及张力状态条件下，通过空气（或氧化）进行氧化处理10~30分钟，然后再改变环境，在220~330℃及张力状态条件下继续氧化处理30~100分钟，待纤维颜色变黄、变褐，就可以进行下个阶段的操作了。

3、碳化处理：碳化过程需要其他的环境，需要在纯氮气流（或真空）保护下进行，经过低温炭化（300~1000℃）和高温炭化（1000~1800℃）之后，纤维转化成具有乱层结构的碳纤维，这个时候碳纤维其实就应该完成了，但是下面还有一个步骤，是用来制备石墨纤维的。

4、石墨化处理：石墨化处理比碳化处理的环境还要严格，尤其是温度，采用碳管炉间歇生产，也可以用电流通过纤维，利用纤维自身的导电性能产生热量进行连续处理。石墨化过程是在惰性气体（氩气）保护下进行的，在2000~3000℃高的热处理温度下牵伸石墨化。

碳纤维和石墨纤维都是含碳量超过95%的新型材料，但是两者在性能上还是存在一些差异，两者无法替代使用。想要制备强度更高、模量更高的碳纤维，那制备的条件还会发生相应的改变

虽然碳纤维的基本材料——由碳制成的纤维——听起来很简单，但是有无数的方法将这些相对简单的纤维与其他产品结合起来，创造更强大，更硬，并且更轻的材料深受设计工程师的青睐现代高科技项目。

碳纤维前驱体

碳纤维通常始于有机聚合物，称为前体。大约90％的时间，该前体是聚丙烯腈（PAN）。有时使用人造丝或石油沥青代替。有机聚合物由碳原子结合的长链分子组成。前体的组成因制造商而略有不同，确切的组成通常是一个严密保护的商业秘密。

在制造过程中，可能会添加气体，液体和其他材料，为碳纤维中创建各种特性。有时会寻求特定的效果；在其他时候，目的是特定反应或防止特定反应。同样，过程材料的精确组合通常是公司的秘密。

碳纤维制造工艺

一旦实现了正确的加工材料组合，就可以将前体拉成长条或纤维，然后在惰性气体中在高温下加热（热解）以实现碳化。碳化会排出大多数非碳原子，从而留下长且紧密编织的碳原子链，仅剩下少量的非碳材料。此过程通常包含五个步骤：

纺丝—将前体与其他材料混合，然后纺成纤维。然后将这些纤维洗涤并拉伸。

稳定化-碳纤维在碳化之前必须进行化学改变，以通过将其线性原子键更改为梯形键来使其具有更高的热稳定性。将纤维在空气中加热到200-300°C大约30分钟到2小时。这种加热过程迫使碳原子从空气中吸收氧原子，并将分子重新排列成更热稳定的键合模式。必须仔细控制此放热过程，以防止纤维过热。有多种用于稳定碳纤维的方法。

碳化-纤维热稳定后，将其在无氧的情况下加热至1,000-3,000°C保持几分钟。氧气的缺乏阻止了纤维在如此高的热量下燃烧。在此过程中，重要的是保持炉内的气压高于炉外的气压，并保持纤维的入口和出口密封，以防止氧气进入炉内。在此高温下，纤维排出其非碳原子，而其余的碳原子形成紧密结合的碳晶体。这些碳晶体平行于碳纤维的长轴排列。

表面处理-碳化过程使纤维具有光滑的表面，该表面不能与用于制造复合产品的环氧树脂和其他材料很好地粘合。因此，表面被轻微氧化。氧化使表面具有更好的化学键合特性，同时还蚀刻了表面以使化学物质更好地粘附于表面。有时将纤维浸入二氧化碳，空气或臭氧等气体中，或将其浸入硝酸或次氯酸钠等液体中进行氧化。其他时候，通过将带正电的纤维浸入导电材料的浴中，通过电解来实现氧化。无论采用哪种表面处理方法，至关重要的是必须在专家的仔细监督下进行操作，以防止引入可能导致材料故障的表面缺陷。

上浆—一旦氧化，就将纤维包起来，以防止在缠绕到线轴上或机织成织物时损坏。涂覆过程被称为上浆，并且上浆材料经过仔细选择以与用于形成复合结构的粘合剂相容。涂层材料可能包括聚酯，尼龙，氨基甲酸酯或环氧树脂。

碳纤维上浆后，将它们缠绕到线轴上，然后装入纺纱机中，然后捻成各种尺寸的纱线。然后可以将这些纱线编织成织物或形成复合材料。