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：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。