雖然碳纖維的基本材料——由碳製成的纖維——聽起來很簡單，但是有無數的方法將這些相對簡單的纖維與其他產品結合起來，創造更強大，更硬，並且更輕的材料深受設計工程師的青睞現代高科技專案。

碳纖維前驅體

碳纖維通常始於有機聚合物，稱為前體。大約90％的時間，該前體是聚丙烯腈（PAN）。有時使用人造絲或石油瀝青代替。有機聚合物由碳原子結合的長鏈分子組成。前體的組成因製造商而略有不同，確切的組成通常是一個嚴密保護的商業秘密。

在製造過程中，可能會新增氣體，液體和其他材料，為碳纖維中建立各種特性。有時會尋求特定的效果；在其他時候，目的是特定反應或防止特定反應。同樣，過程材料的精確組合通常是公司的秘密。

碳纖維製造工藝

一旦實現了正確的加工材料組合，就可以將前體拉成長條或纖維，然後在惰性氣體中在高溫下加熱（熱解）以實現碳化。碳化會排出大多數非碳原子，從而留下長且緊密編織的碳原子鏈，僅剩下少量的非碳材料。此過程通常包含五個步驟：

紡絲—將前體與其他材料混合，然後紡成纖維。然後將這些纖維洗滌並拉伸。

穩定化-碳纖維在碳化之前必須進行化學改變，以透過將其線性原子鍵更改為梯形鍵來使其具有更高的熱穩定性。將纖維在空氣中加熱到200-300°C大約30分鐘到2小時。這種加熱過程迫使碳原子從空氣中吸收氧原子，並將分子重新排列成更熱穩定的鍵合模式。必須仔細控制此放熱過程，以防止纖維過熱。有多種用於穩定碳纖維的方法。

碳化-纖維熱穩定後，將其在無氧的情況下加熱至1,000-3,000°C保持幾分鐘。氧氣的缺乏阻止了纖維在如此高的熱量下燃燒。在此過程中，重要的是保持爐內的氣壓高於爐外的氣壓，並保持纖維的入口和出口密封，以防止氧氣進入爐內。在此高溫下，纖維排出其非碳原子，而其餘的碳原子形成緊密結合的碳晶體。這些碳晶體平行於碳纖維的長軸排列。

表面處理-碳化過程使纖維具有光滑的表面，該表面不能與用於製造複合產品的環氧樹脂和其他材料很好地粘合。因此，表面被輕微氧化。氧化使表面具有更好的化學鍵合特性，同時還蝕刻了表面以使化學物質更好地粘附於表面。有時將纖維浸入二氧化碳，空氣或臭氧等氣體中，或將其浸入硝酸或次氯酸鈉等液體中進行氧化。其他時候，透過將帶正電的纖維浸入導電材料的浴中，透過電解來實現氧化。無論採用哪種表面處理方法，至關重要的是必須在專家的仔細監督下進行操作，以防止引入可能導致材料故障的表面缺陷。

上漿—一旦氧化，就將纖維包起來，以防止在纏繞到線軸上或機織成織物時損壞。塗覆過程被稱為上漿，並且上漿材料經過仔細選擇以與用於形成複合結構的粘合劑相容。塗層材料可能包括聚酯，尼龍，氨基甲酸酯或環氧樹脂。

碳纖維上漿後，將它們纏繞到線軸上，然後裝入紡紗機中，然後捻成各種尺寸的紗線。然後可以將這些紗線編織成織物或形成複合材料。

碳纖維製造過程包含這4個步驟

碳纖維並不是只有一種，而且碳纖維自身也有效能強弱之分，因此想要製造出符合需求的碳纖維並不是一件容易的事情。目前碳纖維有PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維幾種，其中PAN基碳纖維的使用更為廣泛。想要生產出PAN基碳纖維，需要經過紡絲、預氧化、碳化和石墨化等處理。

1、紡絲：PAN基指的是聚丙烯腈聚合物，在製備碳纖維之前，需要將聚丙烯腈與水溶劑混合製得15%的紡絲液，再透過溼法紡絲或乾溼法紡絲等方式獲得PAN原絲，製得的PAN原絲需要還要使用緯織機織成布，然後再進行下一步的操作。

2、預氧化處理：預氧化是PAN基碳纖維製備最為重要的一個步驟，預氧化可分為2段進行。首先聚丙烯腈纖維布與催化劑同時存放於200~220℃及張力狀態條件下，透過空氣（或氧化）進行氧化處理10~30分鐘，然後再改變環境，在220~330℃及張力狀態條件下繼續氧化處理30~100分鐘，待纖維顏色變黃、變褐，就可以進行下個階段的操作了。

3、碳化處理：碳化過程需要其他的環境，需要在純氮氣流（或真空）保護下進行，經過低溫炭化（300~1000℃）和高溫炭化（1000~1800℃）之後，纖維轉化成具有亂層結構的碳纖維，這個時候碳纖維其實就應該完成了，但是下面還有一個步驟，是用來製備石墨纖維的。

4、石墨化處理：石墨化處理比碳化處理的環境還要嚴格，尤其是溫度，採用碳管爐間歇生產，也可以用電流透過纖維，利用纖維自身的導電效能產生熱量進行連續處理。石墨化過程是在惰性氣體（氬氣）保護下進行的，在2000~3000℃高的熱處理溫度下牽伸石墨化。

碳纖維和石墨纖維都是含碳量超過95%的新型材料，但是兩者在效能上還是存在一些差異，兩者無法替代使用。想要製備強度更高、模量更高的碳纖維，那製備的條件還會發生相應的改變

製作碳纖維簡單的方法是:

用碳布一層層包裹，每層之間有粘膠，先在200－300℃的空氣中進行預氧化，然後在惰性氣體保護下用1000℃左右的高溫完成碳化，最後加熱到1500－3000℃成碳纖維。

粘膠是有毒的，另外碳纖維碎屑非常細，吸入肺部嚴重影響健康。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。

它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

碳纖維“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，但強度卻高於鋼鐵，並且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。