碳纖維簡介

碳纖維（Carbon Fiber，簡稱CF），一種含碳量在95%以上微晶石墨材料，具有很多優(yōu)良的特性，如質(zhì)量比金屬鋁輕，強(qiáng)度卻高于鋼鐵，耐腐蝕、高模量等等，是軍工、航天等行業(yè)的重要材料。

碳纖維主要由碳元素組成，具有耐高溫、抗摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性。外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨微晶結(jié)構(gòu)沿纖維軸擇優(yōu)取向，因此沿纖維軸方向有很高的強(qiáng)度和模量。碳纖維的密度小，因此比強(qiáng)度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強(qiáng)材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復(fù)合，制造先進(jìn)復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度及比模量在現(xiàn)有工程材料中是最高的。碳纖維直徑只有5微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的十到十二分之一，強(qiáng)度卻在鋁合金4倍以上。耐高溫性能也居所有化纖之首。

碳纖維的制造過程中，用腈綸和粘膠纖維做原料，經(jīng)高溫氧化碳化而成。工藝過程涉及到大量與溫度相關(guān)的工藝控制環(huán)節(jié)，本文將介紹相關(guān)應(yīng)用及解決方案。

碳纖維工藝流程總覽

工業(yè)化生產(chǎn)碳纖維按原料路線可分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維 、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，由聚丙烯腈纖維原絲制得的高性能碳纖維，產(chǎn)量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。不同碳纖維的工藝略有不同，但是都包括預(yù)氧化、氧化、碳化，石墨化等核心工藝，其間伴隨的化學(xué)變化包括，脫氫、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等。本部分以應(yīng)用量最大的PAN基碳纖維工藝為例，進(jìn)行詳細(xì)的分析。

典型的PAN基碳纖維工藝流程圖

1、原絲生產(chǎn)

碳纖維原絲carbon fiber precursor，又稱碳纖維前驅(qū)體。指生產(chǎn)碳纖維用的聚合物原絲，是沒經(jīng)過碳化工藝處理的。

碳纖維原絲生產(chǎn)，一般會(huì)均勻分布數(shù)十束原絲在不銹鋼滾輪上。在生產(chǎn)過程中可能會(huì)發(fā)生某一束原絲斷裂的情況，客戶希望監(jiān)控?cái)嗔逊职l(fā)生并及時(shí)給出報(bào)警信號(hào)。由于絲束較細(xì)且斷裂部位不確定，所以需要對(duì)整個(gè)滾輪上分布的原絲進(jìn)行檢測，并能給出實(shí)時(shí)的報(bào)警信號(hào)。

根據(jù)客戶要求選擇MP150LTR1紅外線掃描儀，通過滾輪和原絲發(fā)射率不同造成的顯示溫度差，可以實(shí)現(xiàn)原絲斷裂時(shí)實(shí)時(shí)報(bào)警。

推薦型號(hào)：MP150LT

2、預(yù)氧化

PAN原絲在180℃-300℃的熱空氣中進(jìn)行保溫0.5h到3h，聚丙烯腈纖維的顏色由白色逐漸變成黃色、棕色，最后形成黑色的預(yù)氧化纖維。是聚丙烯腈線性高分子受熱氧化后，發(fā)生氧化、熱解、交聯(lián)、環(huán)化等一系列化學(xué)反應(yīng)形成耐熱梯型高分子的結(jié)果。

熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)是工業(yè)預(yù)氧化爐中技術(shù)含量最高的部分，也是不同預(yù)氧化爐生產(chǎn)商提供的預(yù)氧化爐中差別最大的部分。而溫度均勻性，控溫精度又是預(yù)氧化爐的核心技術(shù)，因此對(duì)爐體內(nèi)部工作空間的溫度進(jìn)行監(jiān)測就顯得尤為重要。

推薦型號(hào)：T40LT, MP150LT

3、碳化

PAN原絲經(jīng)預(yù)氧化處理后轉(zhuǎn)化為耐熱梯形結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過低溫炭化(300~1000℃)和高溫炭化(1000~1800℃)轉(zhuǎn)化為具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的碳纖維。

低溫碳化是指預(yù)氧化絲在300℃-1000℃的惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以熱分解反應(yīng)為主，纖維中的氮，氫，氧等非碳元素從穩(wěn)定的聚合物中裂解出來。

高溫碳化工藝是在1000℃-1500℃的惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以熱縮聚反應(yīng)為主，PAN分子鏈之間不斷進(jìn)行交聯(lián)，縮聚等過程，六角碳網(wǎng)平面迅速成長，取向度提高，并最終形成由梯形結(jié)構(gòu)逐步向亂層石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的顯微結(jié)構(gòu)，并得到含碳量在90%以上的碳纖維。

推薦型號(hào)：Endurance -碳纖維絲素溫度測量

4、石墨化

在2000 ℃ -3000 ℃的高溫下進(jìn)行，碳纖維中殘留的氮，氫等非碳元素被進(jìn)一步消除，C-C鍵重新分布，聚合物中非芳構(gòu)化的碳的成分減少，轉(zhuǎn)化為類似石墨層面的組織。石墨化處理過程對(duì)碳纖維張良的影響不大，但能改善碳纖維中微晶體的大小，堆疊狀態(tài)和沿纖維軸的取向性，獲得更高含碳量和拉伸模量的石墨纖維。

溫度是影響碳纖維石墨化的主要因素，2200℃是碳纖維石墨化的敏感溫度，在這一溫度下碳纖維基本完成脫氮過程，各項(xiàng)微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生顯著變化。不同溫度場下，碳纖維吸收熱量的情況不同，影響微觀結(jié)構(gòu)的演變進(jìn)程，最終會(huì)導(dǎo)致石墨化程度及纖維性能有一定差異。如何控制石墨化過程中溫升使得碳纖維拉伸強(qiáng)度降低的幅度減小十分關(guān)鍵。

推薦型號(hào)：

Endurance雙色測溫-碳纖維絲素溫度測量

Endurance 1M單色測溫-石墨化爐外殼溫度測量

碳纖維工藝溫度總結(jié)

如上文所述，溫度參數(shù)在原絲，預(yù)氧化、氧化、碳化，石墨化等工藝中都是重要的核心參數(shù)，決定了產(chǎn)品質(zhì)量，能耗，生產(chǎn)效率等關(guān)鍵指標(biāo)。各種工藝的工藝溫度與測溫儀器的選擇如下表所述。