碳纤维简介
碳纤维（Carbon Fiber，简称CF），一种含碳量在95%以上微晶石墨材料，具有很多优良的特性，如质量比金属铝轻，强度却高于钢铁，耐腐蚀、高模量等等，是军工、航天等行业的重要材料。
碳纤维主要由碳元素组成，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性。外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。碳纤维直径只有5微米，相当于一根头发丝的十到十二分之一，强度却在铝合金4倍以上。耐高温性能也居所有化纤之首。
碳纤维的制造过程中，用腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成。工艺过程涉及到大量与温度相关的工艺控制环节，本文将介绍相关应用及解决方案。
碳纤维工艺流程总览
工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维 、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类，由聚丙烯腈纤维原丝制得的高性能碳纤维，产量约占全球碳纤维总产量的90%以上。不同碳纤维的工艺略有不同，但是都包括预氧化、氧化、碳化，石墨化等核心工艺，其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。本部分以应用量最大的PAN基碳纤维工艺为例，进行详细的分析。
典型的PAN基碳纤维工艺流程图
1、原丝生产
碳纤维原丝carbon fiber precursor，又称碳纤维前驱体。指生产碳纤维用的聚合物原丝，是没经过碳化工艺处理的。
碳纤维原丝生产，一般会均匀分布数十束原丝在不锈钢滚轮上。在生产过程中可能会发生某一束原丝断裂的情况，客户希望监控断裂分发生并及时给出报警信号。由于丝束较细且断裂部位不确定，所以需要对整个滚轮上分布的原丝进行检测，并能给出实时的报警信号。
根据客户要求选择MP150LTR1红外线扫描仪，通过滚轮和原丝发射率不同造成的显示温度差，可以实现原丝断裂时实时报警。
推荐型号：MP150LT
2、预氧化
PAN原丝在180℃-300℃的热空气中进行保温0.5h到3h，聚丙烯腈纤维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后形成黑色的预氧化纤维。是聚丙烯腈线性高分子受热氧化后，发生氧化、热解、交联、环化等一系列化学反应形成耐热梯型高分子的结果。
热风循环系统是工业预氧化炉中技术含量最高的部分，也是不同预氧化炉生产商提供的预氧化炉中差别最大的部分。而温度均匀性，控温精度又是预氧化炉的核心技术，因此对炉体内部工作空间的温度进行监测就显得尤为重要。
推荐型号：T40LT, MP150LT
3、碳化
PAN原丝经预氧化处理后转化为耐热梯形结构，再经过低温炭化(300~1000℃)和高温炭化(1000~1800℃)转化为具有乱层石墨结构的碳纤维。
低温碳化是指预氧化丝在300℃-1000℃的惰性气体保护下进行化学反应以热分解反应为主，纤维中的氮，氢，氧等非碳元素从稳定的聚合物中裂解出来。
高温碳化工艺是在1000℃-1500℃的惰性气体保护下进行化学反应以热缩聚反应为主，PAN分子链之间不断进行交联，缩聚等过程，六角碳网平面迅速成长，取向度提高，并最终形成由梯形结构逐步向乱层石墨结构转化的显微结构，并得到含碳量在90%以上的碳纤维。
推荐型号：Endurance -碳纤维丝素温度测量
4、石墨化
在2000 ℃ -3000 ℃的高温下进行，碳纤维中残留的氮，氢等非碳元素被进一步消除，C-C键重新分布，聚合物中非芳构化的碳的成分减少，转化为类似石墨层面的组织。石墨化处理过程对碳纤维张良的影响不大，但能改善碳纤维中微晶体的大小，堆叠状态和沿纤维轴的取向性，获得更高含碳量和拉伸模量的石墨纤维。
温度是影响碳纤维石墨化的主要因素，2200℃是碳纤维石墨化的敏感温度，在这一温度下碳纤维基本完成脱氮过程，各项微晶结构参数发生显著变化。不同温度场下，碳纤维吸收热量的情况不同，影响微观结构的演变进程，最终会导致石墨化程度及纤维性能有一定差异。如何控制石墨化过程中温升使得碳纤维拉伸强度降低的幅度减小十分关键。
推荐型号：
Endurance双色测温-碳纤维丝素温度测量
Endurance 1M单色测温-石墨化炉外壳温度测量
碳纤维工艺温度总结
如上文所述，温度参数在原丝，预氧化、氧化、碳化，石墨化等工艺中都是重要的核心参数，决定了产品质量，能耗，生产效率等关键指标。各种工艺的工艺温度与测温仪器的选择如下表所述。
