1观点呈现 碳纤维的由来

　　所有的物质都是由碳、氢、氮等各种元素组成的，但大部分物质的碳元素含量都不超过60%以上。以前，碳材料作为能源的角色出现在人类历史发展的过程中，如木炭、煤炭用来燃烧、炼铁。在十九世纪末，作为一种新材料的角色出现，如作为炭素材料用来发电，电极、电刷等。在二战之后，又出现了一些新的碳材料制品，主要是高性能的石墨，新型的碳材料，如后面出现的碳纤维、纳米管、石墨烯、富勒烯，其中石墨烯和富勒烯的发现都拿到了诺贝尔奖，所以碳材料对人类影响非常大。

　　简单来说，碳材料就是以碳元素为主体构成的材料，一般来说一种物质的碳氢比大于10就是碳材料。如金刚石，就是碳元素按照非常规整的体相结构组合起来的。如果碳元素组成六元网状、一个平面，而这个平面一层一层地堆叠在一起，就是石墨材料，如铅笔芯。如果碳材料内部存在非常多的孔洞，就是活性炭。如果碳材料比较琐碎，不成体相，就是炭黑。碳纤维是一种丝状的，比头发丝还细的一种物质。现在比较新型、热门的碳材料，如足球烯、富勒烯、碳纳米管、石墨烯都属于纳米碳材料。

　　没有碳化之前的白色原丝，里面含有大量的氮、氢、氧等非碳元素，原丝纺制出后要经过氧化、碳化，做成碳元素含量在95%以上的碳丝。碳纤维原丝可以做到几万米长，主要用来做高强、高模、高韧的一些材料，如飞机、导弹、汽车或体育用品。现在，碳纤维是全世界公认的“黑色黄金”，用处非常广泛，并且随着发展，用量会越大。

　　2观点呈现

　　碳纤维

　　碳纤维的官方定义是一类以人造纤维或有机纤维为前驱体，经过1000℃以上高温处理，发生一系列的物理化学变化，制得碳含量在90%以上的无机纤维。作为一种高分子聚合物的材料，通过纺丝把它做成一种线状的有机纤维，通过低温的氧化，把线状分子链变成体状，再通过更高温度进行碳化，把这种体状纤维中的氮、氢、氧元素脱除，让碳元素含量不断提高。会发现，碳元素就会在纤维中会形成六元环，并且越来越大，就变成碳纤维。如果后面再通过2000℃~3000℃热处理，就变成石墨纤维，会得到非常规整的结构，纤维结构越规整，力学性能就越好。

　　碳纤维的种类大致分为粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维和PAN基碳纤维（聚丙烯腈基碳纤维）。严格意义上说，所有的有机纤维通过碳化得到90%以上碳元素含量都叫碳纤维，但大部分有机纤维做成碳纤维后变碎，能够做成丝状也就这几类。粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维用途较单一，用量较小，产量较有限，不能做成产业。而用量最大的，也就是PAN基碳纤维，用量一年估计可达8万吨，预计到2020年可能达到10万吨，是世界上兼具良好结构与功能特性高性能碳纤维主导品种，是所有碳纤维中性能最优良的，世界各国高度重视的战略性基础材料。

　　3 观点呈现

　　碳纤维的结构、性能（一）

　　聚丙烯腈基（PAN）基碳纤维结构模型一般来说，有通用型、高强型、高强高模型。沿着横轴向剖开，通用型表面比较规整，内部结构比较混乱，强度、模量等性能都较差；高强型内部结构比较规整，强度较高，它的一束丝，几人合力都拉不断，非常强硬，到后面处理温度更加高的时候，不仅沿轴向规整，沿径向也比较规整，模量也增加了；高强高模型，模量高，抗变形能力越好。

　　聚丙烯腈基（PAN）基碳纤维研制比较晚，是因为它在研制过程中所用时间非常长，会产生一些缺陷，包括内部缺陷和表面缺陷。因为在处理过程是加热过程，表面和内部往往受热不均匀，会出现孔洞或孔隙。表面也会容易出现一些缺陷，如裂纹，在纺制过程中会出现一些毛丝、沉积物和机械损伤之类的问题。

　　碳纤维的性能就是碳+纤维，碳就是碳元素，纤维就是长丝、条纹丝。头发丝一般是在40-50微米，碳纤维一般是7微米，所以特别细。性能就是高强度、高模量，强度比金属要大3-5倍，密度只有金属的四分之一到五分之一，所以说用来做汽车、飞机，非常轻量化，是未来轻量化材料的首选。它的热稳定性高，主要是做航空等热防材料。电阻率小、热膨胀系数小。是化学惰性材料，不会受腐蚀，在环境条件比较苛刻的条件下，它是首选材料。抗疲劳强度高，纤维加工性不错。综合来说，它是减重、增强结构复合材料的最佳增强体。

　　在碳纤维的排号和应用方面，目前，日本、美国发展较好，日本大约领先我国国内20年的水平，我国的碳纤维正在追赶世界潮流。排号是日本制定的，有T系列高强型，M系列高模型，国内在沿着日本的路线追赶，在部分型号上也有了创新。