碳纤维这个词，想必大家应该都比较熟悉了。最常见的是一些跑车，可能会用到碳纤维材料，包括现在的飞机啊导弹什么的，也都会用到。碳纤维为什么这么贵？碳纤维有什么作用呢？碳纤维是怎么制成的？今天，小编就带大家了解一下碳纤维。
碳纤维在1960年代首次投放到固体火箭发动机的机壳和坦克中时，它不仅可以代替玻璃纤维，而且还可以吸收其他各种材料。
用于制造碳纤维的原料称为前体。生产的碳纤维中约有90％由聚丙烯腈（PAN）制成。其余的10％由人造丝或石油沥青制成。所有这些材料都是有机聚合物，其特征在于由碳原子结合在一起的长分子分子。每个前体的确切组成因一家公司而异，通常被认为是商业秘密。
在制造过程中，会使用各种气体和液体。这些材料中的一些被设计为与纤维反应以达到特定的效果。其他材料设计为不与纤维起反应或防止与纤维发生某些反应。与前体一样，许多这些处理材料的确切成分也是专有的。
碳纤维的制造过程部分是化学过程，部分是机械过程。前驱体被拉成长条或纤维，然后加热到很高的温度，而不让它与氧气接触。没有氧气，纤维将无法燃烧。相反，高温导致纤维中的原子剧烈振动，直到大部分非碳原子被排出为止。此过程称为碳化，留下的纤维由长且紧密互锁的碳原子链组成，仅剩余少量非碳原子。
50年后，它仍然是一种奇特的材料。当然，蝙蝠侠穿上了西装，昂贵的汽车在仪表盘和性能部件上散布着它，但低端价格为每磅10美元，对于大规模部署而言，价格仍然太高了。我们已经使用了几十年了。我们的材料科学摩尔定律在哪里使这种材料便宜？为什么这些东西仍然那么贵？
在纤维碳化之前，需要对其进行化学改变，以将其线性原子键转变为更热稳定的梯形键。这是通过将空气中的纤维加热到大约390-590°F（200-300°C）30-120分钟来完成的。这导致纤维从空气中吸收氧分子并重新排列其原子键合模式。稳定化学反应很复杂，涉及多个步骤，其中一些步骤会同时发生。它们还会产生自己的热量，必须对其进行控制以避免纤维过热。在商业上，稳定化过程使用多种设备和技术。在某些过程中，纤维被拉过一系列加热室。在另一些情况下，纤维通过热辊并通过热空气流保持悬浮的松散物料床。
纤维稳定后，将它们在装满不含氧气的气体混合物的熔炉中加热至约1,830-5,500°F（1,000-3,000°C）的温度几分钟。氧气的缺乏阻止了纤维在非常高的温度下燃烧。保持炉内的气压高于外部气压，并密封纤维进出炉的位置，以防止氧气进入。随着纤维被加热，它们开始以各种气体的形式失去其非碳原子以及一些碳原子，这些气体包括水蒸气，氨，一氧化碳，二氧化碳，氢气，氮气等。随着非碳原子的排出，剩余的碳原子形成紧密结合的碳晶体，这些晶体或多或少地平行于纤维的长轴排列。
碳化后，纤维的表面不能与环氧树脂和复合材料中使用的其他材料很好地粘合。为了使纤维具有更好的粘结性能，其表面会被轻微氧化。向表面添加氧原子可提供更好的化学键合性能，并对表面进行蚀刻和粗糙化以获得更好的机械键合性能。可以通过将纤维浸入各种气体（例如空气，二氧化碳或臭氧）中来实现氧化。或在各种液体（如次氯酸钠或硝酸）中使用。也可以通过在充满各种导电材料的浴中将纤维制成正极端子，从而对纤维进行电解涂覆。必须小心控制表面处理过程，以免形成微小的表面缺陷（例如凹坑），而这些缺陷可能导致纤维失效。
表面处理后，对纤维进行涂覆以保护它们在缠绕或编织过程中不受损坏。此过程称为调整大小。选择涂层材料使其与用于形成复合材料的粘合剂兼容。典型的涂料包括环氧树脂，聚酯，尼龙，氨基甲酸酯等。
涂覆的纤维缠绕在称为线轴的圆柱上。将线轴装入纺纱机中，然后将纤维捻成各种尺寸的纱线。
在碳纤维成为碳纤维之前，它开始是一种基础材料，通常是一种有机聚合物，其碳原子将一长串称为聚丙烯腈的分子粘合在一起。对于类似于毛衣和地毯中的丙烯酸材料的材料，这是一个大词。但是不同于地板和衣服丙烯酸，变成一种比钢铁更强更轻的材料的价格更高。每磅起价三欧元的价格听起来可能过高，但在制造过程中，数量激增。
看到，要获得碳纤维的碳部分，原料的一半丙烯酸必须被踢掉。橡树岭国家实验室聚合物基复合材料小组的鲍勃·诺里斯解释说：“最终产品的成本将是开始时的两倍，因为烧掉了一半。” “甚至在不考虑能源和设备之前，最终产品中的前体成本约为每磅5美元。”
每磅5美元的价格也是使碳纤维进入主流汽车应用的魔幻数字。七个骨头会起作用，但五个会最大。因此，就目前而言，仅基础材料就已经超出了预算。
还有更多。迫使丙烯酸酯释放其非碳原子会耗费巨大的机器和大量的热量。两个主要加工步骤中的第一个是氧化稳定化。在这里，纤维不断地通过50-100英尺长的烘箱喂入，从而排出数百摄氏度范围内的热量。这个过程需要几个小时，所以它是一个巨大的能量消耗者。
然后，材料经历所谓的碳化。尽管这里的炉子较短且使用寿命不长，但它们的工作温度要高得多-我们在开始前的第一步需要约1000摄氏度，然后再进行一轮更高温度的加热。那是您甚至不想考虑的电费单。
它并没有就此结束。制造商还必须处理在加热过程中不会残留的丙烯酸。需要处理废气，以免污染环境。绿色并不便宜。诺里斯说：“这涉及很多能源，很多房地产和很多大型设备。” 那只是在制造单个纤维本身。
让我们花点时间讨论一下我们在制造过程中的位置以及我们试图达到的位置。当您想到碳纤维时，会想到那种看起来棒极，坚硬，超轻，有光泽的面板，并且具有可见的组织，对吗？好吧，我们刚刚完成了工作。我们仍然需要将它们排列成一个网格，利用该材料的单向强度并将它们粘合在一起。
给织造产品钉钉意味着确保所有股线都在拉扯其重量。
碳纤维制造商Toho Tenax America 总裁Rob Klawonn解释说：“您必须担心纤维是平行的并且都被均匀拉伸。” 晶格中的波浪形线束会在直纤维上施加额外的应力，而该直束线最终会先断裂。为了弥补编织不完美的可能性，制造商可能会将已经很昂贵的纤维多穿进必要的百分之十。
单独地，股线并不是制造商需要的强项。它们是钢筋一样的钢筋混凝土。目前，碳纤维可与热固性树脂一起使用。它们共同构成了一种复合材料，可以将其加工成某种形状。问题在于，一旦树脂在高压釜中成型并固化，就无法在不拧紧产品结构完整性的情况下改变其形状。一个小错误意味着很多浪费和时间。考虑到汽车行业冲压车身板的速度，热固性需要一个多小时，这是一个很长的时间。
因此，碳纤维不仅仅需要一个天才的修理就可以进入较低的价格等级，还需要对整个系统进行大修。就像任何能提供丰厚财务回报的东西一样，这个行业也正在努力。
例如，那些毛衣类型的丙烯酸树脂可能会代替制造商现在使用的丙烯酸树脂。诺里斯说：“设备的专业性较差，因此可以将前体成本降低20％至30％。” 他们还检查了木质等可再生碳纤维原料，例如木质素，而不是目前的石油基原料。
替代的转换过程（即将热交换为等离子加热）也可以降低成本。“它减少了时间，因为您不必加热整个炉子；您可以产生等离子体来包围灯丝，” Norris解释说。
科学家们还没有完全确定使碳纤维与热塑性树脂一起使用的化学过程。但是，一旦这样做，Toho Tenax America的Klawonn预计转换过程中的成本将降低60-70％。最大的变化是热塑性塑料快速凝固并且可以熔化和重熔，从而在出现错误时减少浪费。
变革即将到来。诺里斯（Norris）指出，像空中客车A380这样的新型商业客机都安装了碳纤维代替铝。“他们正在向更加主流的方向发展，但是直到现在，一直都是有能力为此付出代价的行业。” 我们只希望成本在需要它的行业之前下降。
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