碳纖維：探索、創新和替代傳統聚合物和金屬

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溫度制成的高強度纖維。如今，碳纖維已成為許多產品的重要組成部分，并且每年都在開發新的應用。美國、日本和西歐是碳纖維的主要生產國。

是什么讓它們獨一無二？

碳纖維是聚合物復合材料中最堅硬、最強的增強纖維，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斷裂的量度。根據纖維的取向，碳纖維復合材料可以在某個方向上更強，也可以在所有方向上同樣強。一小塊可以承受數噸的沖擊，并且變形仍然很小。纖維的復雜交織性質使其很難斷裂。

主要應用領域

碳纖維的兩個主要應用是專業技術，包括航空航天和核工程。其他功能領域包括紡織品、微電極、碳纖維增強復合材料用于制造飛機和航天器零件、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和高強度的部件。

碳纖維的分類

根據模量、強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聚合物，其特征是被碳原子結合在一起的長串分子。每種前體的確切成分因公司而異，通常被視為商業秘密。

制造工藝

制造碳纖維的過程部分是化學的，部分是機械的。前體（纖維的分子骨架）被拉成長鏈或纖維，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，高溫會導致纖維中的原子劇烈振動，直到大部分非碳原子被排出。這個過程稱為碳化，留下由長而緊密互鎖的碳原子鏈組成的纖維，只剩下少數非碳原子。

安全問題

碳纖維處理的主要健康危害是由于機械刺激和磨損，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。保護眼睛和喉嚨免受碳纖維粉塵的侵害至關重要。

碳纖維復合材料取代傳統材料的一些原因

1. 高強度重量比：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固、更硬。高端汽車工程師使用復合材料將車輛重量減輕多達60%，同時提高碰撞安全性。

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

3. 新的設計選項：CF復合材料提供了傳統材料難以實現的設計選項。它允許零件合并;單個復合材料零件可以替代金屬零件的完整組件。

碳纖維的未來

碳纖維增強塑料（CFRP）市場的未來看起來很有吸引力，在航空航天、汽車、壓力容器和風能行業都有機會。該市場的主要驅動力是對高性能和輕質復合材料的需求不斷增長，以及各種最終用途行業的性能要求不斷提高。對行業動態有直接影響的新興趨勢包括開發降低碳纖維制造成本的技術，以及零件制造和CFRP的再利用，因為回收的碳纖維降低了產品成本和環境影響。