碳纤维的产品形式及制造工艺

  碳纤维产品的形式有纤维、布料、预浸料坯和切短纤维。布料指的是由碳纤维制成的织品。预浸料坯是一种产品,是将碳纤维按照一个方向一致排列,并将碳纤维或布料用树脂浸泡使其转化成片状。切短纤维指的是短丝。按照不同的配比,这些产品和树脂一起应用将形成碳纤维强化塑料(CFRP);将树脂附在纤维上可以制成压力容器和轧滚,将它们缠绕在一个芯儿上,然后进行塑化或硬化处理。这种方法被称为“缠绕成型法”;将布料放人一个模型中,然后用树脂浸泡可生产卡车和划艇的身体部分,这就是所说的树脂转注成型法(RTM)。

  世界上销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为:

  一是预氧化。在空气中加热,维持在200~300℃数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构,以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态;

  二是碳化。在惰性气氛中加热至1200-1600℃,维持数分至数十分钟,就可生成产品碳纤维;所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气,但一般多用高纯氮气;

  三是石墨化。在惰性气氛加热至2000-3000℃,维持数秒至数十秒钟;这样生成的碳纤维也称石墨纤维。碳纤维有极好的纤度,一般仅约为19g;拉力高达300kg/mm2;还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、膨胀系数小等一系列优异性能。

  飞机元件的制造是通过在高压釜中给预浸料坯加热,加压和塑化成型。将预浸料坯缠绕在一个芯儿上,然后将其加热和塑化,这就是所说的薄片缠绕法。用这种方法可以用来制成高尔夫球棒、钓鱼杆。短丝与树脂混合可以形成混合物,经过加工后可以生产加工机器元件和其它产品。

  过去,预浸坯料是应用最广泛的碳纤维形式,通过在反应釜内利用薄片缠绕法预制而成。然而,近来随着新的工业应用的开发,纤维缠绕成型法,混合物和其他的预制方法得到了更加广泛的发展。像RTM这样的成型法的应用,使得制造商可以更加有效地制成大型产品。碳纤维与最合适的树脂及预制工艺的结合使得碳纤维的应用更加具有吸引力。