碳纤维的制作过程主要包括以下几个步骤:
原丝制备
聚丙烯腈(PAN)原丝:通过湿法纺丝或干湿法纺丝制得高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝。
沥青原丝:采用熔体纺丝制得。
粘胶原丝:也采用湿法纺丝制得,但原丝要求不含碱金属离子。
预氧化
将原丝在200-300℃的空气中进行预氧化,以得到耐热和不熔的纤维。这一步骤对于提高纤维的化学稳定性和机械性能至关重要。
碳化
在惰性气体保护下,将预氧化后的纤维加热到1000-3200℃,具体温度取决于原丝的类型(如PAN、沥青、粘胶)。在此过程中,纤维中的氢、氧和氮等元素被移除,留下纯碳纤维。
石墨化 (可选):
对于某些应用,如需要更高模量的碳纤维,可以在2500-3000℃的高温下进行石墨化处理。这一步骤使碳纤维中的碳原子重新排列,形成类似石墨的结构,从而提高其导电性和热导率。
表面处理
通过气相或液相氧化等方法,赋予纤维化学活性,以增大对树脂的亲和性。这有助于提高碳纤维与基体材料的结合强度。
后处理
根据需要进行打磨、切割等后处理工艺,以得到最终的碳纤维制品。
成型工艺
将预浸料放入模具中,通过热压罐成型、树脂传递模塑(RTM)成型、缠绕成型、拉挤成型、编织成型等方法进行固化成型。选择合适的成型方法取决于碳纤维制品的具体需求和形状。
固化工艺
成型后的碳纤维制品需要经过固化工艺,使预浸料中的树脂能够充分固化。固化可以采用热固化、辐射固化等方式,需要控制温度和时间,以确保树脂能够充分固化,从而使制品具有良好的力学性能和稳定性。
这些步骤共同构成了碳纤维从原料到成品的完整制作流程。不同类型的碳纤维(如PAN基、沥青基、粘胶基)在具体工艺上可能有所不同,但基本原理和步骤是相似的。