碳纤维增强塑料的兴起
塑料材料中的碳纤维
碳纤维在塑料材料中的使用历史悠久。早在 1879 年，托马斯爱迪生就在试验用棉线和竹条制成的碳纤维。事实上，第一个通过电加热的白炽灯泡含有碳纤维。
1960 年代，日本产业科学技术厅的 Akio Shindo 博士开发了一种基于聚丙烯腈 (PAN) 的碳纤维。所得纤维含有55%的碳。
基于 PAN 的转化工艺很快成为生产碳纤维的主要方法。今天 90% 的碳纤维由聚丙烯腈 (C3H3N)n 或合成的半结晶有机聚合物树脂 PAN 制成。其余 10% 由人造丝或石油沥青制成。由 PAN 制成的纤维非常坚固且轻便。这些纤维由热固性或热塑性聚合物（如聚酯、乙烯基酯或尼龙）结合，制成碳纤维增强塑料或碳 FRP。
在聚合物中加入碳纤维有很多好处
拉伸强度和弯曲模量增加，热变形温度或 HDT 也增加。此外，添加碳纤维增强材料可减少收缩和翘曲。
每根碳纤维都是由数千根碳丝组成的细长线。单根纤维的直径约为 5-10 μm，主要由碳组成。碳中的微观晶体以一种或多或少平行于纤维长轴的结构结合在一起。正是这种晶体排列使纤维如此坚固。
按拉伸模量分类
碳纤维按拉伸模量分类* 的纤维。拉伸模量可以在34.8百万psi至72.5-145.0百万psi的范围内。钢的拉伸模量为 2900 万磅/平方英寸，因此最强的碳纤维是钢的五倍。
“低”模量纤维的拉伸模量低于 3480 万磅/平方英寸（2.4 亿千帕）。纤维也按拉伸模量的升序分为“标准模量”、“中等模量”、“高模量”和“超高模量”。超高模量级碳纤维的拉伸模量为72.5-1.45亿磅/平方英寸（5亿-10亿千帕）。
纺丝、稳定、碳化、表面处理和施胶
碳纤维的制造过程部分是化学的，部分是机械的。
- 旋转： PAN 使用几种纺丝工艺之一纺丝。这一步很重要，因为它形成了纤维的内部原子结构。然后将纤维洗涤并拉伸至所需的直径。拉伸还有助于分子排列，以帮助形成由碳化产生的碳晶体。
- 稳定： 在这一步中，纤维经过化学处理，将它们的线性键合转变为热稳定的梯形键合结构。然后将细丝在空气中加热，这样它们就会吸收氧分子并改变它们的原子键合模式。
- 碳化： 然后纤维在没有氧气的情况下暴露在非常高的热量下，因此纤维不能燃烧。纤维中的原子剧烈振动，将前体中的大部分非碳原子排出。
- 表面处理： 碳化后，纤维表面与用于制造复合材料的材料不能很好地结合。在此步骤中，纤维表面通过浸入各种气体或液体而被轻微氧化。
- 尺寸： 在这个过程中，纤维被涂覆以保护它们在缠绕或编织过程中免受损坏。
一些由碳纤维制成的产品是钓鱼竿、自行车、高尔夫球具、网球拍、飞机零件、桥梁和汽车。
* 拉伸模量是一定直径的纤维在不断裂的情况下可以施加的拉力。拉伸模量用磅每平方英寸或 psi 来描述。
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