碳纖維簡介

碳纖維（Carbon Fiber，簡稱CF），一種含碳量在95%以上微晶石墨材料，具有很多優良的特性，如質量比金屬鋁輕，強度卻高于鋼鐵，耐腐蝕、高模量等等，是軍工、航天等行業的重要材料。

碳纖維主要由碳元素組成，具有耐高溫、抗摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性。外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨微晶結構沿纖維軸擇優取向，因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復合，制造先進復合材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是最高的。碳纖維直徑只有5微米，相當于一根頭發絲的十到十二分之一，強度卻在鋁合金4倍以上。耐高溫性能也居所有化纖之首。

碳纖維的制造過程中，用腈綸和粘膠纖維做原料，經高溫氧化碳化而成。工藝過程涉及到大量與溫度相關的工藝控制環節，本文將介紹相關應用及解決方案。

碳纖維工藝流程總覽

工業化生產碳纖維按原料路線可分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維 、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，由聚丙烯腈纖維原絲制得的高性能碳纖維，產量約占全球碳纖維總產量的90%以上。不同碳纖維的工藝略有不同，但是都包括預氧化、氧化、碳化，石墨化等核心工藝，其間伴隨的化學變化包括，脫氫、環化、預氧化、氧化及脫氧等。本部分以應用量最大的PAN基碳纖維工藝為例，進行詳細的分析。

典型的PAN基碳纖維工藝流程圖

1、原絲生產

碳纖維原絲carbon fiber precursor，又稱碳纖維前驅體。指生產碳纖維用的聚合物原絲，是沒經過碳化工藝處理的。

碳纖維原絲生產，一般會均勻分布數十束原絲在不銹鋼滾輪上。在生產過程中可能會發生某一束原絲斷裂的情況，客戶希望監控斷裂分發生并及時給出報警信號。由于絲束較細且斷裂部位不確定，所以需要對整個滾輪上分布的原絲進行檢測，并能給出實時的報警信號。

根據客戶要求選擇MP150LTR1紅外線掃描儀，通過滾輪和原絲發射率不同造成的顯示溫度差，可以實現原絲斷裂時實時報警。

推薦型號：MP150LT

2、預氧化

PAN原絲在180℃-300℃的熱空氣中進行保溫0.5h到3h，聚丙烯腈纖維的顏色由白色逐漸變成黃色、棕色，最后形成黑色的預氧化纖維。是聚丙烯腈線性高分子受熱氧化后，發生氧化、熱解、交聯、環化等一系列化學反應形成耐熱梯型高分子的結果。

熱風循環系統是工業預氧化爐中技術含量最高的部分，也是不同預氧化爐生產商提供的預氧化爐中差別最大的部分。而溫度均勻性，控溫精度又是預氧化爐的核心技術，因此對爐體內部工作空間的溫度進行監測就顯得尤為重要。

推薦型號：T40LT, MP150LT

3、碳化

PAN原絲經預氧化處理后轉化為耐熱梯形結構，再經過低溫炭化(300~1000℃)和高溫炭化(1000~1800℃)轉化為具有亂層石墨結構的碳纖維。

低溫碳化是指預氧化絲在300℃-1000℃的惰性氣體保護下進行化學反應以熱分解反應為主，纖維中的氮，氫，氧等非碳元素從穩定的聚合物中裂解出來。

高溫碳化工藝是在1000℃-1500℃的惰性氣體保護下進行化學反應以熱縮聚反應為主，PAN分子鏈之間不斷進行交聯，縮聚等過程，六角碳網平面迅速成長，取向度提高，并最終形成由梯形結構逐步向亂層石墨結構轉化的顯微結構，并得到含碳量在90%以上的碳纖維。

推薦型號：Endurance -碳纖維絲素溫度測量

4、石墨化

在2000 ℃ -3000 ℃的高溫下進行，碳纖維中殘留的氮，氫等非碳元素被進一步消除，C-C鍵重新分布，聚合物中非芳構化的碳的成分減少，轉化為類似石墨層面的組織。石墨化處理過程對碳纖維張良的影響不大，但能改善碳纖維中微晶體的大小，堆疊狀態和沿纖維軸的取向性，獲得更高含碳量和拉伸模量的石墨纖維。

溫度是影響碳纖維石墨化的主要因素，2200℃是碳纖維石墨化的敏感溫度，在這一溫度下碳纖維基本完成脫氮過程，各項微晶結構參數發生顯著變化。不同溫度場下，碳纖維吸收熱量的情況不同，影響微觀結構的演變進程，最終會導致石墨化程度及纖維性能有一定差異。如何控制石墨化過程中溫升使得碳纖維拉伸強度降低的幅度減小十分關鍵。

推薦型號：

Endurance雙色測溫-碳纖維絲素溫度測量

Endurance 1M單色測溫-石墨化爐外殼溫度測量

碳纖維工藝溫度總結

如上文所述，溫度參數在原絲，預氧化、氧化、碳化，石墨化等工藝中都是重要的核心參數，決定了產品質量，能耗，生產效率等關鍵指標。各種工藝的工藝溫度與測溫儀器的選擇如下表所述。