什么是碳纖維?

　　碳纖維(carbon fiber，CF) 是一種延續細絲碳材料，直徑范圍在6~8μm內，僅為人的頭發絲的1/3左右，是近數十年來為知足高性能飛機對材料的需求而發展起來的一種新型材料。盡管碳纖維的含碳量在90%以上，但是它的制備不是直接用碳材料抽取的。碳材料不溶于任何溶劑，也不能用熔融紡絲法制取，而是由有機高分子纖維，即聚丙烯臘纖維，或石油瀝青或煤瀝青纖維經專門的碳化處理而制得的。用于制備碳纖維的有機纖維稱為前驅體或原絲。在美國，碳纖維也被稱為石墨纖維(graphite fiber)，但真正意義上的石墨纖維是將響應的有機前驅體纖維制成碳纖維后，再經2000~ 3300℃石墨化處理后而得到的纖維材料，含碳量高達99%，因此彈性模量也大為進步，用石墨纖維制造的復合材料，不僅輕質高強，而且剛性和尺寸穩固性分外好，在航天應用中，被用來制造衛星天線或太陽能電池矩陣。

　　碳纖維的研究開發啟迪于對20世紀50年代開發的玻璃纖維復合材料性能的熟悉和經驗。通常的玻璃纖維復合材料，密度要高出碳纖維復合材料1/3 以上，而拉伸強度僅是碳纖維復合材料的2/3，模量則更低，不到1/3，知足不了高性能飛機的要求，因此研究高強、高模及低密的加強纖維成為發展高性能纖維復合材料的前提。在碳纖維之前，曾經開發過硼纖維，1960年鎢絲芯硼纖維開始了小批量的生產，硼纖維直徑約100μm，拉伸模量達400GPa，拉伸強度達3800MPa，纖維體積分數為60%的硼纖維加強環氧復合材料(相對密度≈2.0)，拉伸模量達200GPa，比玻璃纖維復合材料(相對密度≈1.8)的拉伸模量(40GPa) 大5倍，比鋁合金(相對密度≈2.7) 的拉伸模量(70Pa)大3倍，因此美國空軍材料實驗室將

　　硼纖維/環氧復材料命名為先輩復合材料(advanced composite materials，ACM)，并于20世紀的年代后期開始了在飛機結構上的應用，如飛機水平尾翼和垂直安定面翼盒結構等。

　　但是，硼纖維生產工藝復雜, 成本高，硼纖維自己粗硬，很難在結構上推廣應用。

　　在這種背景下，于20世紀60年代后期，創新型的聚丙烯腈基碳纖維研發成功并實現批量生產，從此開始了碳纖維復合材料在航空航天領域應用的里程砷. 因為碳紆維復合材料優秀的綜合性能，分外是超常的高比強度和比模量，使結構的服從得以極大程度的發揮，因而到目前為止，被看成是一種理想的航空航天結構材料，近50年來，它在航空航天領域的應用得到了長足的發展。

　　此外，碳纖維還具有耐腐蝕、抗委靡、耐高溫、膨脹系數小、尺寸穩固性高、導電等好處。

　　目前碳纖維重要從原絲類型、使用性能方面進行分類。

　　按原絲類型分類有聚丙烯腈基纖維、瀝青基纖維、黏膠基纖維、木質素纖維基纖維和其他有機纖維基碳纖維。

　　按使用性能分則有通用級碳纖維(其拉伸強度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa)和高性能碳纖維，包括：高強型(強度2000MPa，模量250GPa)、高模型(模量300GPa以上)、超高強型(強度大于4000MPa)、超高模型(模量大于450GPa)，還有高強-高模、中強-中模等碳纖維。

　　商品化的碳纖維主流產品有兩大類，一是聚丙烯腈基碳纖維(PANbaseCF)，二是瀝青基碳纖維(pitch-base CF)。

　　同玻璃纖維一樣，用作加強體的碳纖維可以是纖維自己，包括延續、長、短纖維，以及各種纖維織物、布、帶、氈等。

　　如此性能優秀的碳纖維是怎樣制成的?

　　盡管碳纖維重要由碳組成，微觀結構也和石墨特別很是接近;然而，人們至今還不能直接用碳或石墨來制取碳纖維，只能采用一些含碳的有機纖維質料，將有機纖維與塑料樹脂結合在一路炭化制得碳纖維。

　　被選用來制備碳纖維的有機纖維重要包括:聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維等，其中應用較普遍的是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。選用不同的有機纖維作為質料，對詳細的工藝參數會有不同的要求，制備出來的碳纖維的性能也會有肯定的差異。

　　然而，在這過程中，普遍必要經歷纖維紡絲、熱穩固化(預氧化)、氧化、碳化四個過程，其間伴隨著脫氫、環化、預氧化、氧化及脫氧等化學轉變。經過這些過程以后，我們就可以得到碳纖維的原絲。

　　然而，制備出原絲并不意味著制備碳纖維的過程就結束了。制備出原絲后，還必要經過上漿和固化的過程。所謂的上漿就是將原絲和環氧樹脂混合的過程。上漿過程使用的方法可以許多，可以通過主動放置機械會將碳纖維浸泡在環氧樹脂中，也可以人工地將環氧樹脂和其他高分子與碳纖維混合起來。

　　上漿結束后，就必要經過最后的一個程序，那就是固話。固化過程常用到的方法是加熱，或者將環氧樹脂放在真空中加壓。固化重要是讓包裹了環氧樹脂的碳纖維硬化;此外，在固化過程中，碳纖維可能會發生化學反應，生成原絲材料中不含碳的物質，導致纖維顆粒之間的團圓作用力更增強。這時候，碳纖維的產品就真正做好了。