原创 | 什么才是好的碳纤维?

科普几个概念，什么是炭化和石墨化？什么是强度和模量？其实好多人并没有搞清这些概念，包括材料专业的。炭化就是有机纤维在高温下裂解，逸出氢、氧、氮等小分子，最后留下碳元素的这么一个过程。这是一个碳元素占比增加的一个过程，有文献把碳元素占比增加到92%后才称为碳纤维；石墨化就是碳材料内部碳原子在高温下进行重新排列，慢慢趋向于完美六元网格的一个过程。在碳纤维内部就是原先比较杂乱的碳原子排列次序慢慢趋向于规整排列的乱层石墨结构的过程。有人用温度来区分炭化和石墨化，其实这是不严谨的，炭化和石墨化都是一个过程，不是最终结果。把碳纤维加热到1500℃，如果这个过程是一个碳元素聚集的过程，那么就叫炭化。如果在这个温度下碳元素不再聚集保持在固定占比比例，而是碳原子排列趋向于规整六元网格结构，那么我就叫它石墨化过程。所以炭化和石墨化没有明显的温度界限，哪一种趋势更明显就称为哪一种过程。不同的原材料在不同温度下的趋势是不一样的，所以不要以温度来区分炭化和石墨化。

关于强度和模量。通俗地讲，将材料损坏所使用的最大力就是强度。如果是拉伸损坏就是拉伸强度，如果是弯曲损坏就是弯曲强度也叫抗折强度，如果是压坏就是压缩强度。模量简单地说就是将材料施加外力使其变形一定尺寸所用的力。将材料拉长一定尺寸所用的力就是拉伸模量，同样还有弯曲模量和压缩模量。举个例子，一根钢筋我把它拉断所用最大力就是拉伸强度，如果我不拉断，仅仅拉伸n毫米所用的力就是拉伸模量。强度说的是材料能承受多大的外力，模量是材料是否在外力下容易变形。

什么是好纤维

要想知道为什么搞不好碳纤维先得知道什么是好的碳纤维。首先一根纤维应该是均匀直径，均匀物相，每一段纤维都与整根纤维一样，强度在一定范围内。在一根纤维上不同地方截取一段纤维，如果它们的强度比较均匀则是好纤维。其次同一束纤维有n多根纤维，这些纤维的强度比较均匀则是好纤维。最后，所有纤维所有部分强度、模量和尺寸等性能均比较均匀达到标称标准就是好纤维。标称3500MPa强度的碳纤维，每一根纤维和纤维每一段都符合要求，均匀分布在2000MPa，这也不叫好纤维。所以好纤维就是又均匀又标准。日本碳纤维做的比我们好是因为它们的碳纤维更接近这一标准。前几年，中国的碳纤维差就差在均匀性上了，标称T700的碳纤维有的纤维比T1000还高，有的还不如T300。近几年，通过不懈的努力，国产碳纤维产品质量有了很大的提升，性能均一度也是有了极大改善。

离散系数

说到碳纤维性能均一度，不得不说说离散系数，也就是我们经常提出的CV值。通常碳纤维厂商的产品参数表里面是不会有这一项的。这个只是行业内部进行交流的参数。不过这个参数确实影响着碳纤维的使用效果。我们通常所说国产碳纤维质量不稳定，说的也是离散系数太大。那么什么叫离散系数呢？离散系数又叫变异系数，表征的是两组数据偏离程度的参数。打个比方，就像前边说的，今天生产出来的碳纤维测一测强度，和昨天生产出来的碳纤维测得的强度进行对比，如果两组数据相差过大，那就是离散系数太大，说明产品质量不稳定。类比一个形象的例子：打靶。打靶的时候我们的目标是靶心，但实际上打出来的位置都会有偏离，如果偏离靶心比较大，那就是离散系数大，偏离靶心小，那就是离散系数比较小。

可这些又有什么用呢？复合材料有一大特点就是结构可设计性，我们可以根据工件的要求不同，对其进行精确地纤维铺层等方面的设计，最高效的发挥材料的优势。这里的精确设计要求我们必须准确的知道材料的性能参数。但如果是离散系数过大的碳纤维，也就是我们说质量不稳定的碳纤维，那么精确设计就无从下手。就像用一双颤抖的手去穿针引线一样困难。可以说没有质量稳定的碳纤维，就没有高性能的复合材料。

邀请函 | 2021中国(第七届)碳纤维及复合材料技术创新峰会