碳纖維，又稱碳石墨，是一種通過將合成纖維或聚丙烯腈纖維或石油渣加熱到適當(dāng)溫度制成的高強(qiáng)度纖維。如今，碳纖維已成為許多產(chǎn)品的重要組成部分，并且每年都在開發(fā)新的應(yīng)用。美國(guó)、日本和西歐是碳纖維的主要生產(chǎn)國(guó)。

是什么讓它們獨(dú)一無二？

碳纖維是聚合物復(fù)合材料中最堅(jiān)硬、最強(qiáng)的增強(qiáng)纖維，僅次于玻璃纖維。碳纖維按纖維的拉伸模量分類。拉伸模量是衡量一定直徑的纖維可以施加多大的拉力而不會(huì)斷裂的量度。根據(jù)纖維的取向，碳纖維復(fù)合材料可以在某個(gè)方向上更強(qiáng)，也可以在所有方向上同樣強(qiáng)。一小塊可以承受數(shù)噸的沖擊，并且變形仍然很小。纖維的復(fù)雜交織性質(zhì)使其很難斷裂。

主要應(yīng)用領(lǐng)域

碳纖維的兩個(gè)主要應(yīng)用是專業(yè)技術(shù)，包括航空航天和核工程。其他功能領(lǐng)域包括紡織品、微電極、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于制造飛機(jī)和航天器零件、賽車車身、高爾夫球桿桿、自行車車架、釣魚竿、汽車彈簧、帆船桅桿以及許多其他需要輕質(zhì)和高強(qiáng)度的部件。

碳纖維的分類

根據(jù)模量、強(qiáng)度和最終熱處理溫度，碳纖維可分為不同類別。

原材料及制造工藝

用于制造碳纖維的原材料稱為前驅(qū)體。大約90%的碳纖維由聚丙烯腈（PAN）制成。剩下的10%由人造絲或石油瀝青制成。所有這些材料都是有機(jī)聚合物，其特征是被碳原子結(jié)合在一起的長(zhǎng)串分子。每種前體的確切成分因公司而異，通常被視為商業(yè)秘密。

制造工藝

制造碳纖維的過程部分是化學(xué)的，部分是機(jī)械的。前體（纖維的分子骨架）被拉成長(zhǎng)鏈或纖維，然后加熱到非常高的溫度，不允許它與氧氣接觸。沒有氧氣，纖維就無法燃燒。相反，高溫會(huì)導(dǎo)致纖維中的原子劇烈振動(dòng)，直到大部分非碳原子被排出。這個(gè)過程稱為碳化，留下由長(zhǎng)而緊密互鎖的碳原子鏈組成的纖維，只剩下少數(shù)非碳原子。

安全問題

碳纖維處理的主要健康危害是由于機(jī)械刺激和磨損，類似于玻璃纖維。如果不加以控制，這些微纖維有可能粘在人體皮膚或粘膜中，引起刺激。保護(hù)眼睛和喉嚨免受碳纖維粉塵的侵害至關(guān)重要。

碳纖維復(fù)合材料取代傳統(tǒng)材料的一些原因

1. 高強(qiáng)度重量比：碳纖維的重量約為鋼的25%，鋁的70%，并且比這兩種材料的重量更堅(jiān)固、更硬。高端汽車工程師使用復(fù)合材料將車輛重量減輕多達(dá)60%，同時(shí)提高碰撞安全性。

2. 耐久性：CF復(fù)合材料無論環(huán)境如何，都不會(huì)生銹。CF復(fù)合材料的斷裂韌性低于金屬，但高于大多數(shù)聚合物。高尺寸穩(wěn)定性使它們能夠保持其形狀，無論是熱還是冷，濕還是干。

3. 新的設(shè)計(jì)選項(xiàng)：CF復(fù)合材料提供了傳統(tǒng)材料難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。它允許零件合并;單個(gè)復(fù)合材料零件可以替代金屬零件的完整組件。

碳纖維的未來

碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）市場(chǎng)的未來看起來很有吸引力，在航空航天、汽車、壓力容器和風(fēng)能行業(yè)都有機(jī)會(huì)。該市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力是對(duì)高性能和輕質(zhì)復(fù)合材料的需求不斷增長(zhǎng)，以及各種最終用途行業(yè)的性能要求不斷提高。對(duì)行業(yè)動(dòng)態(tài)有直接影響的新興趨勢(shì)包括開發(fā)降低碳纖維制造成本的技術(shù)，以及零件制造和CFRP的再利用，因?yàn)榛厥盏奶祭w維降低了產(chǎn)品成本和環(huán)境影響。