碳纤维是如何生产制备的？

碳纤维复合材料是一种含碳量超过90%的纤维结构材料，具有优秀的物理性能、化学性能以及热学性能，是当之无愧的“新材料之王”。在航空航天、汽车制造、轨道交通、体育器材、高端医疗等多个领域取得很好的应用。下面来了解一下碳纤维是如何制备的。

碳纤维丝束的制备一般有两种方法：气相法和有机纤维碳化法。气相法是在惰性气体的加持下，将小分子有机物在高温下沉积为纤维，该法制备的是短纤维；而有机纤维碳化法是将有机纤维经过稳定化处理后生成耐焰纤维，在在惰性高温环境下将其碳化成长纤维。

一般碳纤维制备是以聚丙烯腈（PAN）为原材料。PAN原丝制备碳纤维主要分为三个步骤。

1.预氧化

PAN的Tg在低于100℃时分解会出现软化熔融的现象，所以不能直接至于惰性气体中进行碳化。要先在空气中对PAN原丝进行预氧化处理，让PAN的结构转化为稳定的梯形六元环结构,就不易熔融。另外，当加热足够长的时间，还会产生纤维吸氧作用，PAN纤维分子间可以形成稳定的化学键合。预氧化需要在200℃-300℃的氧化环境中，在原丝受张力的情况下进行。

2.碳化

碳化是碳纤维生成的主要阶段，需要在400℃~ 1900℃的惰性环境中进行。这一步骤的主要目的是用来去除大量的氮、氢、氧等非碳元素，从而改变原PAN纤维的结构，可以制得含碳量95%左右的碳纤维原丝。

3.石墨化

碳纤维石墨化需要在2500℃~ 3000℃的温度下，，有惰性气体保护的情况下进行，将碳纤维原丝放入密封装置中，并不断地施加压力，能够让纤维中的结晶碳往石墨晶体转变，将其与纤维轴方向的夹角不断缩小。这一步可以有效提高碳纤维的弹性模量。