高模量是什么意思,来，聊5分钟碳纤维
中国从制造大国转向制造强国，靠的是什么？是材料！战略性新兴产业的70%，都需要靠新材料来支撑
碳纤维是一种高强度、高模量纤维的新型纤维材料，因其具有非氧化环境下耐超高温、耐疲劳性好、耐腐蚀性好及良好的导电导热性能、电磁屏蔽性，被称为新材料之王
碳纤维概览说到碳纤维，大家都有所耳闻，它是一种长而细的材料束，直径约为0.005-0.010毫米，主要由碳原子组成
微观下的碳纤维
为了产生碳纤维，碳原子在晶体中被键合在一起，平行排列的纤维长轴给予碳纤维相当高的强度-体积比，几千条碳纤维集束在一起形成一个纤维束，其可以单独使用或被编织成织物
上方为直径6微米的碳纤维，下方为人类头发
纱线或织物再与环氧树脂结合，缠绕或模压成形，形成各种复合材料，碳纤维增强复合材料常用于制造飞机和航天器部件、赛车车身、高尔夫球杆轴、自行车架、钓鱼杆、汽车弹簧、帆船桅杆以及许多其他需要轻质和高强度的部件
碳纤维产品
碳纤维是20世纪50年代发展起来的一种增强材料，之一批纤维是通过加热人造丝直到碳化而制成的，这一工艺被证明是低效的，因为得到的纤维只含有约20%的碳，并且强度和刚度都较低
人造纤维
20世纪60年代初，以聚丙烯腈为原料开发了一种新工艺，这就产生了一种含碳量约为55%的碳纤维，并且具有更好的性能，聚丙烯腈转化工艺迅速成为生产碳纤维的主要 ***
在20世纪70年代，寻找性能优异替代原材料的工作开始，而从石油加工中提取的石油沥青制成的碳纤维 *** 可以使纤维含有约85%的碳，且具有优异的弯曲强度，但遗憾的是这种工艺生产的碳纤维只有有限的抗压强度，并没有被广泛接受
如今，碳纤维是许多产品的重要组成部分，每年都在开发新的应用，美国、日本和西欧是碳纤维的主要生产国
碳纤维分类碳纤维按纤维的拉伸模量分类，拉伸模量是测量一定直径的纤维在不断裂的情况下能施加多大的拉力
英国的测量单位是磅力每平方英寸的横截面积（psi），归类为低模量的碳纤维的拉伸模量低于3480万psi（2.4亿kPa）
按拉伸模量升序排列的其他分类包括标准模量、中间模量、高模量和超高模量，超高模量碳纤维的拉伸模量为725-1450万psi（5亿-10亿kPa），相比之下，钢的拉伸模量约为2900万psi（2亿kPa），因此，强度更大的碳纤维大约是钢的五倍
石墨纤维是指由石油沥青制成的超高模量纤维，这些纤维具有紧密接近三维晶体排列的内部结构，所述三维晶体取向是纯石墨形式的碳的特征
原料及制造用来制造碳纤维的原材料叫做前体，目前大约90%的碳纤维是由聚丙烯腈制成的，剩下的10%是人造丝或石油沥青，所有这些材料都是有机聚合物，其特征是由碳原子结合在一起的长串分子，每种前体的确切组成因公司而异，这也是不同制造商的核心技术，通常是高级的商业秘密
聚丙烯腈合成碳纤维的机制
碳纤维在制造过程中会使用各种气体和液体，其中一些材料被设计成与纤维反应以达到特定的效果，而另外一些材料的设计则不是为了与纤维发生反应或防止与纤维发生某些反应，与前体一样，许多这些加工材料的确切成分也是各个制造商的商业机密
首先丙烯腈塑料粉末与另一种塑料（如丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯）混合，在常规悬浮或溶液聚合过程中与催化剂反应，形成聚丙烯腈塑料
丙烯腈塑料粉末
形成聚丙烯腈塑料
然后有几种不同的 *** 可以将塑料纺成纤维，在某些 *** 中，塑料与某些化学物质混合，通过微小的射流泵入化学浸洗器或激冷室，在那里塑料凝结并凝固成纤维，这与聚丙烯纤维的形成过程相似
在其他 *** 中，塑料混合物被加热并通过微小的射流泵入溶剂蒸发室，留下固体纤维，纺丝步骤很重要，因为纤维的内部原子结构是在这个过程中形成的
然后将纤维洗涤并拉伸至所需的纤维直径，拉伸有助于使纤维内的分子对齐，并为碳化后紧密结合的碳晶体的形成提供基础
碳纤维内部晶体结构示意图
在纤维碳化之前，需要对它们进行化学改变，以将它们的线性原子键合转换为更热稳定的梯形键合，该过程通过将空气中的纤维加热到大约200-300°C同时持续30-120分钟来实现的
这使得纤维从空气中吸收氧分子并重新排列它们的原子键模式，稳定化学反应是复杂的，包括几个步骤，其中一些是同时发生的
过程中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，稳定过程使用各种设备和技术，在某些过程中，纤维被拉过一系列加热室
而在另一些情况下，纤维通过热辊，并通过由热空气流悬浮在一起的松散材料的床层，有些过程使用加热的空气与某些气体混合，以化学方式加速稳定
纤维稳定后，在充满不含氧气体混合物的炉中加热至约1000-3000°C数分钟，此时缺氧使纤维在高温下无法燃烧，炉内的气体压力保持在高于外部空气压力的状态，密封进入和离开炉的点以防止氧气进入
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
当非碳原子被排出时，剩余的碳原子形成紧密结合的碳晶体，这些碳晶体或多或少平行于纤维的长轴排列，在一些过程中，使用两个在两个不同温度下操作的炉子来更好地控制碳化过程中的加热速率
在碳化后，纤维的表面不能很好地与环氧树脂和复合材料中使用的其他材料结合，为了使纤维具有更好的粘接性能，它们的表面被轻微氧化，同时需要向表面添加氧原子可以提供更好的化学键合性能，并且还可以蚀刻和粗糙表面以获得更好的机械键合性能
氧化可以通过将纤维浸入各种气体(如空气、二氧化碳或臭氧)或各种液体(如次氯酸钠或硝酸)中实现，还可以通过使纤维在充满各种导电材料的槽中作为正极端子来电解涂覆纤维，表面处理过程必须小心控制，以避免形成微小的表面缺陷，如凹坑等这些这可能导致纤维失效的因素
经过表面处理后，纤维被涂上保护层，以防止在缠绕或编织过程中受损，另外选择的涂层材料应与用于形成复合材料的粘合剂相容，典型的涂层材料包括环氧树脂、聚酯、尼龙、聚氨酯等
接着被涂覆的纤维缠绕在称为筒管的圆筒上，筒子装进纺纱机，纤维被捻成各种尺寸的纱线
碳纤维的尺寸非常小，肉眼无法对其质量进行控制，那么生产一致的前体纤维并严格控制用于将其转化为碳纤维的制造过程是质量控制的决定因素，同时，生产的每个阶段都需要随诸如时间、温度、气体流量和化学成分等过程变量进行密切的关注
最后你在生活中都是用过哪些碳纤维产品以及对碳纤维产品的感受，欢迎讨论
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