主题：盲人与象第2摸—石墨及纤维（续） -- 大地窝铺
家园 盲人与象第2摸—石墨及纤维（续） 有趣的东西应该和大家分享，就像一个人喝闷酒不利于健康是一个道理。“酒后的醉话那也不能太当真，闷酒后的醉话就更不能当真！”—（周猩猩的师傅？）谁让您喜欢西西河这茶余饭后的场所呢！
飞机上用的碳纤维，准确说是石墨纤维，制造过程说起来是简单的（其简单仅限于说说而已），原料是PAN（polyacrylonitrile）纤维，一种人造丝。具体是啥先不说，我考考你？（以前工作单位的一个南郭先生总是这样套答案）。其实我也不知道，缺这方面的知识。先把人造丝在200到300摄氏度的环境里氧化、固化1小时。然后再到1200摄氏度的环境里碳化1到2分钟。在2000到3000摄氏度温度下1到2分钟这时发生石墨化反应，这才得到高强度，高模量的石墨纤维。碳化反应产生的是无序的结构，而在石墨化反应中，除去了材料中的氢、氮、氧等其他元素，只留下了有序排列的碳链，这样就得到了高密度高模量的石墨纤维。石墨纤维还要再氧化处理一下，目的是为了提高与树脂的粘接性能。
纤维做出来后，然后纺成比如说3000根一股（叫3K），在编织成石墨纤维布，平纹的，或者绒布的等等，都是纺织专业名词。在此严正声明：“此处所说的纺车好像不是革命前辈们当年在延安窑洞里使用的那种‘打天下’牌山寨纺车”！
国内飞机修理行业还是习惯于叫碳纤维，国外也一样。这是约定俗成的习惯叫法，少一个字叫起来工作效率高那么一点点。没人老问：“哎，那个谁？啥是石墨呀 ”？碳反正谁都知道，谁手摸谁手黑的那玩意儿呗。
顺便给出一个数量级的概念，这些飞机上用的玩艺有多贵呢？玻璃纤维布0.75-7美元/磅;卡夫拉纤维布12-20美元/磅;碳纤维布12-100美元/磅。也别对这些价格太认真。美国没有得次贷感冒的时候，这些东西有价无货；得了两场大感冒后，行情就另说了。
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 PAN（polyacrylonitrile） 是聚丙烯腈。顺便说几句，碳纤维（石墨纤维）的原料并不只有PAN纤维，碳纤维是由有机纤维如黏胶纤维、PAN纤维和沥青纤维在保护性气氛（N2或Ar）下热处理碳化成为含碳量90%—99%的纤维。碳纤维的发明可以追溯到1880年，爱迪生用棉、亚麻等纤维制成用作电灯丝的碳丝就是碳纤维，不过由于其太脆、易氧化、亮度太低，后来改为钨丝。直到20世纪50年代，碳纤维才开始真正投入使用。1959年，美国联合碳化物公司（Union Carbide Corp.）研究出人造丝为原料的碳纤维生产，商品牌号为Thornel（索纳尔）。1962年，日本大阪技术研究所的进藤昭男以聚丙烯腈为原料研制出聚丙烯腈基纤维。1963年，日本大谷杉郎以沥青为原材料也成功研制出碳纤维。1964年，英国皇家研究所（RAE）的Watt等在预氧化和碳化时对聚丙烯腈纤维施加应力牵伸，进而得到了高强度，高模量的碳纤维。我国在20世纪70年代开始生产碳纤维。
碳纤维的生产过程是原丝（如PAN纤维）—>预氧化—>碳化—>石墨化—>表面处理。以PAN纤维为例，预氧化是在氧化炉里在较低的温度下（200—300℃）加热PAN纤维，使其发生氧化反应，从而提高PAN纤维的热稳定性，使其能够经受住高温碳化处理而获得碳纤维。预氧化的时间为2h。碳化是预氧化纤维在张力作用下，在300—1500℃的温度下，在氮气（纯度>99.99%）保护下发生热解反应，最后得到含碳量达92%的碳纤维，分子结构向石墨晶体转变。碳化时间约为40分钟，施加的张力约50g/束。在碳化过程中获得的碳纤维属于乱层石墨结构，石墨层片沿纤维轴向的取向也较低，表现在弹性模量值也不高，为获得高模量的碳纤维就必须在碳化的基础上对它进行2000—3000℃的高温处理，这就是所谓的石墨化，石墨化处理的保护气氛是Ar，不采用N2是因为N2在2000℃以上能与碳反应生成氰（这玩意有毒，剧毒）。石墨化得到的碳纤维表面活性低（这意味着与基体比如环氧树脂的粘结性能低，会导致复合材料的性能不高），必须进行表面处理（氧化和上浆）以提高碳纤维的表面活性，从而提高复合材料的性能。上浆是制备碳纤维的最后一道工序，其主要是为了保护碳纤维（纤维这东西其实是很脆弱的），防止损伤和起毛，同时作为制备复合材料室碳纤维与树脂的偶联剂。
碳纤维的分类方法有很多，如果按照使用范围来说可以分为商品级和宇航级。按纤维的力学性能则可以分为通用级碳纤维和高性能碳纤维，其中高性能碳纤维又可以分为高强度型和高模量型。至于价格，一般来说，纤维的模量越高，价格越高，商品级碳纤维远低于宇航级碳纤维。航天工业用的高模量碳纤维比航天工业追求的高强度碳纤维的价格更高。
至于纤维的供应，有纤维纱，纤维布（这种状态最多），纤维毡以及其他的一些特殊织物等。纤维纱用于制备无纬布、无纬带及其作为缠绕成型、拉挤成型、喷射成型的增强纱或短切成短切纱。与纺织工业一样，纤维纱也用支数来表示，支数是指1g的纱的长度，比如支数为160支，即表示这种纱1g对应长度160米。纤维布的种类也很多，一般分为平纹布、斜纹布、缎纹布、单向布、无捻布等，纤维布的编织方法不同会导致纤维的编织次数，弯曲程度，拉伸和冲击强度，铺覆性和变形性的不同，这些性能的不同对复合材料的性能有着相应的影响。纤维毡则有短切毡，连续毡，缝合毡，表面毡等类型。
家园 花您！我出门多带了两瓶二锅头，把《科技词典》给扔了
家园 我国正要造大飞机 据说难点之一是复合材料，但看你的帖子给我的感觉这东西不难，是不是我理解错了？能不能谈谈我国复合材料技术的事情，自己的飞机能用上自己的复合材料了吗？谢谢
家园 沙发 能不能讲讲碳纤维的强度主要由什么决定的？
PS：1美元/磅=15000RMB/吨。我还是习惯用这个单位来比较价格。