Najczęściej stosowanymi włóknami poddawanymi zabiegowi karbonizacji są włókna celulozowe oraz polikarylonitrylowe.
Proces wytwarzania włókien karbonizowanych z prekursora celulozowego przeprowadzany jest w trzech etapach:
powolne ogrzewanie do temperatury 400°C w celu odwodnienia struktury i rozerwania wiązań C — O i C — C przez reakcje wolno-rodnikowe,
karbonizacja (zwęglanie) w temperaturze 1000° C,
grafityzacja w temperaturze 2000 —3000°C w celu wykrystalizowania struktury zbliżonej do grafitu.
Dla uzyskania wysokich wartości modułu sprężystości włókien węglowych konieczne jest zorientowanie krystalitów grafitu w ten sposób, aby ich podstawowe płaszczyzny zajmowały położenie równoległe do osi włókna. W celu wytworzenia wysokiej orientacji krystalitów graftu włókno, w czasie grafityzacji, poddaje się rozciąganiu. Zabieg ten powoduje wyeliminowanie niekorzystnej orientacji promieniowej, dzięki czemu moduł sprężystości i wytrzymałość na rozciąganie wzrastają ponad trzykrotnie. Z włókien celulozowych produkowane są tańsze włókna karbonizowane niegrafityzowane o module sprężystości E = 150-300 GPa i wytrzymałości Rm = 1000 - 1500 MPa oraz droższe włókna grafityzowane o module sprężystości E = 400 - 700 GPa i wytrzymałości na rozciąganie Rm = 2000 - 2500 MPa.
Proces wytwarzania włókien karbonizowanych z prekursora polia-krylonitrylowego PAN składa się również z trzech stadiów:
preoksydacja w atmosferze powietrza w temperaturze około 200°C w czasie 20h z równoczesnym rozciąganiem,
karbonizacja w atmosferze azotu lub argonu, w temperaturze 1000-1700°C i w czasie około 24 h,
grafityzacja w atmosferze obojętnej, głównie argonu lub helu w temperaturze 2000-3000°C i czasie 2 h.
W czasie preoksydacji wydzielają się toksyczne grupy CN, polimer traci wodór i azot, a zwiększa się udział węgla i tlenu. Jednocześnie tworzą się pierścienie, z których powstają zarodki kryształów grafitu. W czasie karbonizacji następuje dalsza utrata grup HCN i wody, w efekcie czego w strukturze włókna pozostają wyłącznie atomy węgla. Następuje skurcz włókien i wzrost właściwości wytrzymałościowych (Rm = 900 MPa, E = 90 GPa).
Podczas grafityzacji następuje krystalizacja struktury grafitowej warunkującej dalszy wzrost właściwości mechanicznych włókna.
Procesy wytwarzania włókien karbonizowanych przeprowadza się w sposób ciągły. Roving z włókna poliakrylonitrylowego odwijany jest ze szpuli i wprowadzany do komory utleniającej. Obieg powietrza w komorze wymuszony jest za pomocą wentylatora. Czas utleniania włókien określony jest ilością wałków teflonowych, między którymi przesuwa się z określoną szybkością włókno. Naciąg włókien podczas utleniania wywołany jest systemem wałków umieszczonych u wlotu i wylotu komory i obracających się z różną szybkością. Podczas zwęglania naprężenie włókna wywołane jest odpowiednio dobraną szybkością obrotową wałka.
Wejście włókna węglowego do pieca i wyjście włókna zgrafityzowanego odbywa się przez kapilary kwarcowe z zaworami argonowymi. Przez zawory argon jest wydmuchiwany na zewnątrz, co zabezpiecza przed zassaniem powietrza do wnętrza pieca.
Włókna karbonizowane wytwarzać można również z tanich substratów jak: asfalty, smoły, paki, żywice fenolowe, z których najpierw przędzie się włókna. Praktyczne zastosowanie znajdują wyłącznie paki mezofazowe. Włókna karbonizowane wytworzone z tego substratu mają niewielką wytrzymałość (Rm = 2000 - 2400 MPa), ale wysoki moduł sprężystości (Em = 380 - 500 GPa) w przypadku obróbki cieplnej w temperaturze poniżej 1800°C. Po przeprowadzeniu grafityzacji w temperaturze powyżej 2500°C moduł sprężystości włókna wzrasta do wartości E = 700 GPa. Zastosowanie tych włókien jest ograniczone z powodu ich małej wytrzymałości, do konstrukcji, w których szczególnie ważny jest moduł sprężystości.
Włókna karbonizowane zbudowane są z wstęgowych pasm grafitu. Średnia długość pasma dochodzi do kilkuset nanometrów, a średnia grubość wynosi kilka nanometrów. Niektóre pasma ułożone są równolegle do osi włókna, inne są odchylone od osi o 5 - 10° i pofałdowane, jednak jako całość zachowują kierunek zgodny z osią włókna. Część pasm rozdziela się i łączy w następne pasma. W wyniku tych rozwarstwień tworzą się pory ułożone dłuższą osią równolegle do osi włókna. Mogą one osiągnąć rozmiary 20 - 30 nm długości i l - 2 nm szerokości. Pasma włókna grafityzowanego zbudowane są z turbostatycznych krystalitów grafitowych ułożonych w postaci pakietów (klocków) jeden na drugim, tworząc kolumny. Grubość krystalitów wynosi 500 - 1000 nm, a długość 0,001 nm. Krystality w kolumnie rozdzielone są między sobą niskokątową granicą skręceniową, utworzoną przypuszczalnie z niekrystalicznego węgla oraz dyslokacji krawędziowych i śrubowych. Kolumny rozdzielone są granicami międzykrystalicznymi bądź szczelinami. Wysokie właściwości mechaniczne włókien karbonizowanych w porównaniu z właściwościami zwyłego grafitu wynikają z turbostatycznej struktury krystalitów w tych włóknach. Podstawowym elementem tej struktury są pakiety łączące się w pofalowane pasma o niereguralnych konturach utworzone z płasko leżących sześcioczłonowych aromatycznych pierścieni węglowych. Warstwy hekasgonalne pakietów są równoległe względem siebie. Brak jest ścisłej zależności między sieciami pierścieni węglowych leżących w sąsiednich krystalitach. Ten rodzaj struktury umożliwia wykorzystanie wysokiej wartości modułu sprężystości podłużnej E wiązań w pierścieniach węglowych. W zwykłym graficie polikrystalicznym o właściwościach mechanicznych decyduje natomiast niska wartość modułu sprężystości postaciowej pakietów. W konsekwencji występuje łatwość przesuwania się warstw względem siebie i ta postać grafitu jest miękka oraz ma małą wytrzymałość mechaniczną.
W zależności od stopnia zgrafityzowania wytwarza się włókna karbonizowane o różnych właściwościach mechanicznych [1]:
włókna karbonizowane o wysokiej wytrzymałości (HS — high strenght lub HT - high tensil) o wytrzymałości na rozciąganie Rm = 3000 - 4000 MPa, module sprężystości E = 235 GPa, wydłużeniu przy zerwaniu = 1,3 - 1,6%, gęstości d = 1800 kg/m3, Rm/d = 1,6667 -2,2222 MN*m/kg, E/d = 0,1306 GN*m/kg,
włókna karbonizowane o wysokiej wartości modułu sprężystości podłużnej (HM — high module) o wytrzymałości na rozciąganie Rm = 2000 - 2300 MPa, module sprężystości E = 400 GPa, wydłużeniu przy zerwaniu = 0,5%, gęstości 1900 kg/m3, Rm/d = = 1,0526 - 1,2105 MN*m/kg, E = 0,2105 GN*m/kg.
Pierwszy typ włókna charakteryzuje się wysokim stopniem zgrafityzowania.
Włókna karbonizowane są stosowane do wytwarzania materiałów kompozytowych o wysokiej wytrzymałości i sztywności oraz dużej odporności termicznej i chemicznej z zastosowaniem osnowy polimerowej, metalicznej i ceramicznej. Przekrój poprzeczny włókien może być kołowy lub wielokątny. Włókna karbonizowane dostępne są najczęściej w postaci przędzy filamentowej o liczbie włókien elementarnych 3000 - 12000 oraz przędzy mulitifilamentowej o liczbie włókien elementarnych 40000 - 320000.
Włókna karbonizowane z uwagi na niepolarny charakter swojej powierzchni wykazują słabe powiązanie z osnową. Polepszenie więzi z osnową polimerową zapewnia utlenienie powierzchni włókna za pomocą środków utleniających, jak kwasu azotowego, tlenu in statu nascendi otrzymywanego drogą elektrolizy lub mieszaniny chloru i tlenu w podwyższonej temperaturze. W wyniku tych zabiegów na powierzchni włókna powstają aktywne grupy OH, polepszające zwilżalność, zdolne do reagowania z żywicą, co polepsza adhezję. W przypadku osnowy metalicznej, np. Al, Ni, Ti włókna pokrywane są warstwą węglika krzemu, wolframu, niklu, boru. Warstwy te powiększają zwilżalność i utrudniają procesy dyfuzyjne pomiędzy włóknem a osnową prowadzące do degradacji włókna podczas wytwarzania lub pracy w podwyższonej temperaturze [2, 3].
Włókna karbonizowane stosowane są również do wytwarzania tkanin niepalnych, odpornych termicznie, przewodzących prąd elektryczny oraz filtracyjnych. W handlu znajdują się również preimpregnaty z włókien karbonizowanych oraz wzmocnienia hybrydowe stanowiące połączenie tkanin z włókien karbonizowanych i szklanych lub aramidowych.
Kompozyty zbrojone włóknami karbonizowanymi zgrafityzowanymi stosuje się w przemyśle lotniczym i kosmicznym w konstrukcji śmigieł, łopatek turbin, zbiorników ciśnieniowych, sprzętu sportowego.
W Polsce produkcję włókien karbonizowanych podjęły Zakłady Elektrod Węglowych w Raciborzu.