碳纖維是一種含碳量超過95%的纖維材料,具有優(yōu)異的力學(xué),化學(xué),電學(xué)等優(yōu)良特性,是”新材料之王”,是軍民發(fā)展不同缺少的戰(zhàn)略性材料,價(jià)格非常昂貴,通常又被稱為”黑黃金”。

她，被稱為貴族材料

價(jià)格不菲，一寸千金

她，是飆車黨的利器，材料界的“黑馬”

她就是碳纖維

大家看到的就是碳纖維的生產(chǎn)線

我國完全自主研發(fā)百噸級T1000碳纖維生產(chǎn)線

纖細(xì)如絲的碳纖維

是如何制造出來的呢?

碳纖維生產(chǎn)工藝技術(shù)發(fā)展到今,已然成熟,隨著碳纖維復(fù)合材料不斷發(fā)展,越來越受各行各業(yè)的青睞,尤其是航空、汽車、軌道、風(fēng)電葉片等強(qiáng)勁增長以及其帶動作用，碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景更加廣闊。

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上游和下游。上游通常是指生產(chǎn)碳纖維專用的材料；下游通常是指生產(chǎn)碳纖維應(yīng)用部件的產(chǎn)品。介于上下游之間的企業(yè)可以認(rèn)為他們是碳纖維生產(chǎn)工藝中的設(shè)備提供商。如圖：

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈上游從原絲到碳纖維整個過程，需要經(jīng)過氧化爐、碳化爐、石墨化爐、表面處理、上漿等工藝，將以聚丙烯腈結(jié)構(gòu)為主的原絲經(jīng)過碳化等工藝變?yōu)橐允w維結(jié)構(gòu)為主的碳纖維。

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈上游屬于石油化工行業(yè)，主要通過原油煉制、裂解、氨氧化等工序獲得丙烯腈；碳纖維企業(yè)通過對以丙烯腈為主的原材料進(jìn)行聚合反應(yīng)生成聚丙烯腈，再以其紡絲獲得聚丙烯腈原絲，對原絲進(jìn)行預(yù)氧化、碳化等工藝制得碳纖維，通過對碳纖維和高質(zhì)量樹脂的加工以獲得碳纖維復(fù)合材料以滿足應(yīng)用需求。

碳纖維的生產(chǎn)流程主要包括：拉絲、牽伸、穩(wěn)定、碳化、石墨化。如圖：

拉絲：這是碳纖維生產(chǎn)過程中的第一步，主要把原材料分離成纖，屬于物理變化，在這過程中，紡絲液細(xì)流與凝固液之間的傳質(zhì)、傳熱，最后PAN沉析形成凝膠結(jié)構(gòu)的絲條。

牽伸：要求溫度100到300度，結(jié)合定向纖維的拉伸效應(yīng)來操作。也是PAN纖維的高模量、高強(qiáng)化、、致密化和細(xì)化的關(guān)鍵步驟。

穩(wěn)定：使用400度加熱氧化的方法使熱塑性PAN線形大分子鏈轉(zhuǎn)化為非塑性耐熱梯形結(jié)構(gòu)，使其在高溫下不熔不燃，保持纖維形態(tài)，熱力學(xué)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

碳化：需要在溫度1千到2千度，將PAN中非碳元素驅(qū)除，最后生成含碳量90%以上的具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的碳纖維。

石墨化：需要溫度在2千到3千度，將無定型、亂層結(jié)構(gòu)的碳化材料向三維石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，是提高碳纖維模量的主要技術(shù)措施。

碳纖維從原絲生產(chǎn)工藝到制成品的詳細(xì)過程就是由上道原絲生產(chǎn)工藝產(chǎn)出PAN原絲，經(jīng)過送絲架濕熱預(yù)牽伸后，由牽伸機(jī)器依次傳送到預(yù)氧化爐，經(jīng)過數(shù)臺預(yù)氧化爐群的不同梯度的溫度烤化后，形成氧化纖維即預(yù)氧絲；預(yù)氧絲經(jīng)過中溫、高溫碳化爐后形成碳纖維；碳纖維再經(jīng)過最終的表面處理上漿、干燥等工藝得到碳纖維成品。全過程連續(xù)走絲，精確控制，任何一道工序出現(xiàn)些許問題都會影響穩(wěn)定生產(chǎn)和最終碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量。碳纖維生產(chǎn)工藝流程長，技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)多，生產(chǎn)壁壘高，是多學(xué)科、多技術(shù)的集成。

碳纖維的制品加工

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1、裁切

預(yù)浸料（Prepreg）從零下18度的冷庫中取出，經(jīng)過醒料，第一步在自動裁切機(jī)按下料圖進(jìn)行精準(zhǔn)裁切。

2、鋪貼

第二步在鋪貼工裝上進(jìn)行預(yù)浸料鋪貼，根據(jù)設(shè)計(jì)要求鋪貼不同層數(shù)，所有過程都在激光定位下進(jìn)行的。

3、成型

通過自動化搬運(yùn)機(jī)器人，將預(yù)成型料送至模壓機(jī)上進(jìn)行模壓成型。

4、切割

成型后工件送至切割機(jī)器人工作站，進(jìn)行第四步切割及去毛刺，確保工件尺寸精度，該過程亦可在CNC上操作。

5、清洗

第五步在清洗工位進(jìn)行干冰清洗，去除脫模劑，便于后道涂膠工藝。

6、涂膠

第六步在涂膠機(jī)器人工位打結(jié)構(gòu)膠，涂膠位，打膠速度和出膠量都經(jīng)過精準(zhǔn)調(diào)試。部分與金屬件連接件采用鉚接方式，在鉚接工位進(jìn)行。

7、裝配檢測

涂膠后完成內(nèi)外板裝配，待膠固化后進(jìn)行藍(lán)光檢測，確保關(guān)鍵孔位、點(diǎn)、線、面的尺寸精度。

碳纖維比較難加工

碳纖維兼具碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，碳纖維是一種的力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。

碳纖維 CFRP 的強(qiáng)度要明顯高于玻璃纖維 GFRP

就拿碳纖維和我們常見的鋼材來說，對比一下這兩張圖，碳纖維的強(qiáng)度在 400 到 800 兆帕左右，而普通鋼材的強(qiáng)度為 200 到 500 兆帕。再來看韌性，碳纖維和鋼材基本類似，沒有明顯的區(qū)別。

碳纖維具有更高的強(qiáng)度，更輕的重量，所以說碳纖維可以稱為新材料之王。正因?yàn)檫@種優(yōu)點(diǎn)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)在加工過程中，基體和纖維存在較為復(fù)雜的內(nèi)部相互作用，使其物理特性與金屬有較大區(qū)別，CFRP密度遠(yuǎn)小于金屬，而強(qiáng)度大于絕大部分金屬。因?yàn)?CFRP 的不均勻性，在加工過程中往往會出現(xiàn)纖維拉出或基質(zhì)纖維的脫離；CFRP 具有較高的耐熱性和耐磨性，使其在加工過程中對設(shè)備的要求較高，因此生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量切削熱對設(shè)備磨損較為嚴(yán)重。

同時，其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，要求也越來越細(xì)膩，對材料適用性做出要求，對CFRP 的質(zhì)量要求也越來越苛刻，也致使加工成本上浮。

碳纖維板的加工

碳纖維板在固化成型后，為了精度要求或裝配需要，還要進(jìn)行切削、鉆孔等后加工。在切削工藝參數(shù)、切割深度等相同條件下，選擇不同材料、尺寸、形狀的刀具和鉆頭，效果上有很大差異，與此同時，刀具和鉆頭的力度、方向、時間和溫度等因素也會影響到加工的結(jié)果。

后加工過程中，盡量選擇帶金剛石涂層的鋒利刀具和整體硬質(zhì)合金的鉆頭，刀具和鉆頭本身的耐磨性決定了加工的質(zhì)量和工具的使用壽命。如果刀具和鉆頭不夠鋒利或者使用不當(dāng)，不僅會加速磨損，提高產(chǎn)品的加工成本，更會造成板材損傷，影響板材的形狀、尺寸以及板材上孔、槽等加工部位尺寸的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時會造成材料出現(xiàn)層狀撕裂，甚至是塊狀崩落，導(dǎo)致整塊板材的報(bào)廢。

在對碳纖維板材進(jìn)行鉆孔時，轉(zhuǎn)速越快效果越好。鉆頭的選擇上，PCD8面刃鉆頭獨(dú)特的鉆尖設(shè)計(jì)較適合碳纖維板材，能更好地穿透碳纖維板材，降低分層的風(fēng)險(xiǎn)性。

對較厚的碳纖維板材進(jìn)行切割時，建議采用左、右螺旋刃設(shè)計(jì)的雙刃壓迫式銑刀，這種鋒利的切削刃同時具有上切和下切的螺旋梢，切削時平衡刀具上下軸向力，確保將切削力合力指向材料的內(nèi)側(cè)，以獲得穩(wěn)定的切削條件，可抑制材料分層現(xiàn)象的產(chǎn)生?！安ぬ}刃”鏤銑刀的上切、下切菱型刃設(shè)計(jì)也能有效切斷碳纖維板材，其較深的排屑槽在切削加工過程中能夠通過切屑的排出帶走大量的切削熱，避免損傷碳纖維板材的性能。

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