碳纤维简史

 

    虽然碳纤维已经存在了150多年，但它只是在过去半个世纪左右的时间里通过制造工艺的改进才获得了优异的比强度和比刚度。这些现代技术的进步，加上过去几十年制造成本的降低，使得碳纤维成为当今备受青睐的材料。

    约瑟夫·威尔逊·斯旺爵士在1860年首次制造出碳纤维，用于早期的白炽灯泡。1879年，托马斯·爱迪生在第一批用电加热的灯泡中使用了以纤维素为基础的碳纤维丝。具有高耐热性使它们成为理想的导电体。这些纤维是由棉花或竹子制成的，而不是今天以石油为基础的原材料，然后在高温下烘烤，导致碳化。这种被称为“热解”的烘烤方法至今仍在使用。热解是在惰性气体中高温加热分解有机物的过程。20世纪初，当钨丝成为灯泡灯丝的首选时，碳纤维在接下来的50年左右就被淘汰了。

    1958年，在位于克利夫兰的联合碳化物帕尔玛技术中心，罗杰·培根尝试通过在氩气中加热人造丝来测量碳的三相点，结果意外地制造出了第一种以石油为基础的碳纤维。他注意到电弧炉的负电极上长出了细丝。然而，由此产生的纤维只有大约20%的碳，而且当时人们几乎没有重视碳纤维产品的刚度和强度特性，这使得培根的加工效率非常低。并且，他制造碳纤维的方法成本极高。

 

    20世纪60年代初，日本工业科技署的Akio Shindo博士使用聚丙烯腈(PAN)作为碳纤维的前身。PAN是一种合成的、半结晶的有机聚合物树脂，它可以让Shindo用一种成本更低的方法生产出55%碳含量的碳纤维。

    1963年，英国国防部的科学家W. Watt, L. N. Phillips和W. Johnson为一种新的碳纤维制造工艺申请了专利。这种制造工艺制造出的碳纤维产品比以前的工艺生产出的强度高得多。英国国家研究开发公司随后将这一过程授权给劳斯莱斯、摩根莱特和考陶德。当时，劳斯莱斯已经开始生产碳纤维，这种新工艺使他们可以开始在喷气发动机风扇组件的设计中使用碳纤维。随后，他们带着带碳纤维压气机叶片的RB-211航空发动机打入美国市场。不幸的是，在遭遇鸟的撞击后，暴露出压气机叶片强度不够的问题，这导致了劳斯莱斯遭受重挫。最后，劳斯莱斯卖掉了他们的碳纤维工厂。

    1970年达成的一项联合技术协议允许联合碳化物公司生产以PAN为基础的碳纤维，这种碳纤维以前只由日本东丽工业公司生产。早前，Morganite曾决定将碳纤维业务排除在其核心业务之外，这使得Courtaulds成为英国唯一一家碳纤维制造商。然而，他们的无机工艺在碳纤维中留下了杂质，而其他碳纤维公司的工艺中却不会出现这种情况。于是到1991年，总部位于英国的面料、服装、人造纤维和化学品制造商Courtaulds停止了碳纤维的生产。

    自20世纪70年代末以来，其他几种类型的碳纤维丝进入了全球市场。这些较新的纤维含有95%的碳，并大大提高了抗拉强度和弹性模量。例如，东丽现在生产的碳纤维抗拉强度为4000 MPa，模量为400 GPa。这些在强度、弹性模量和成本方面的改进促使90年代的工程师们最终充分了解了碳纤维在各类应用中的巨大潜力，使其成为当今最受欢迎的材料之一。