碳纖維是一種高性能材料,具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛性等特點,用以制備的產(chǎn)品有良好的機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能和耐腐蝕性能。目前碳纖維材料制品在普通人的生活中也非常常見,雖然多數(shù)造價不菲,但是依然不乏有愛好者。碳纖維制品的生產(chǎn)包括纖維原料的選取、紡絲、成型、固化、加工、檢測等多個環(huán)節(jié)。
首先,碳纖維制品的生產(chǎn)工藝需要選取質(zhì)量高的原料。常用的碳纖維原料有聚丙烯腈纖維(PAN)、自然纖維和石墨纖維。其中,PAN纖維是常用的原料,因為它具有更高的炭化產(chǎn)率和較好的力學(xué)性能。
其次,選取的原料需要經(jīng)過紡絲工藝。聚丙烯腈纖維為例,首先將纖維原料進(jìn)行拉伸和預(yù)氧化處理,然后通過紡絲機(jī)將纖維形成并拉伸成絲。紡絲工藝影響著纖維的物理性能和成品質(zhì)量,因此需要控制好紡絲參數(shù),如拉伸速度、溫度等。
紡絲后,纖維需要進(jìn)行穩(wěn)定和碳化處理。穩(wěn)定處理是通過高溫氧化使纖維表面形成一層氧化膜,防止纖維斷裂和炭化時產(chǎn)生氣泡。碳化處理是將纖維放入高溫爐中進(jìn)行炭化,使纖維中的雜質(zhì)和非碳元素被炭化掉,形成純碳纖維。碳化溫度一般在1000~2500℃之間, 炭化速度和溫度呈正相關(guān)關(guān)系,一般炭化時間較長,達(dá)20~100小時。
碳化后,纖維需要進(jìn)行表面處理,以增強(qiáng)纖維的結(jié)合力和表面性能。常用的表面處理方法包含機(jī)械加工、氧化、涂覆等。表面處理有助于提高纖維間的連接性和增強(qiáng)材料的界面性能。
然后,纖維進(jìn)一步通過成型工藝制成所需的形狀。常見的成型方式有手工層疊、拉伸成型、預(yù)浸料成型等。其中,預(yù)浸料成型是常用的一種,即將纖維浸漬于含有樹脂的漿料中,然后通過機(jī)械或壓力使其成型,接著通過熱固化使樹脂固化。
成型后的碳纖維制品還需要經(jīng)過加工和檢測工藝。加工工藝包括切割、打孔、接合等,以使碳纖維制品符合設(shè)計需求。檢測工藝包括外觀檢測、內(nèi)部缺陷檢測、力學(xué)性能測試等,以確保制品的質(zhì)量和性能符合標(biāo)準(zhǔn)。