碳纤维是什么？

碳纤维是主要由碳组成的纺织品。它是通过将各种基于碳的聚合物纺成纤维，对其进行处理以去除大部分其他物质，然后将所得材料织成织物来生产的。通常将其嵌入塑料（通常为环氧树脂）中以形成碳纤维增强塑料或碳纤维复合材料。该材料最显着的特征是其高的强度重量比和相对的化学惰性。这些特性为它提供了广泛的应用，但是它的使用由于价格昂贵而受到限制。

这种材料的生产通常基于聚丙烯腈（PAN）（一种用于服装的合成纺织品中的塑料）或沥青（一种由石油制成的焦油状物质）。沥青首先被纺成股，但PAN通常以纤维形式开始。通过强力加热将它们转化为碳纤维，以去除其他元素，例如氢，氧和氮；这个过程称为热解。在此过程中拉伸纤维有助于消除可能削弱最终产品的不规则性。

原始纤维首先在空气中并在张力下被加热到590°F（300°C），此过程称为氧化或稳定化。这将从分子中除去氢，并将纤维转变成机械上更稳定的形式。然后在无氧状态下将它们加热到约1,830°F（1,000°C），此过程称为碳化。这样可以去除更多的非碳材料，大部分留下碳。

当需要高质量，高强度的纤维时，会进行进一步的阶段，即石墨化。将该材料加热到1,732至5,500°F（1,500至3,000°C）之间，以将碳原子的形成转化为类石墨结构。这也去除了大部分残留的非碳原子。术语“碳纤维”用于碳含量至少为90％的材料。当碳含量大于99％时，该材料有时称为石墨纤维。

如今，碳纤维被用于建筑桥梁和隧道以及其他土木工程项目。

产生的原始碳纤维不能与用于制造复合材料的物质很好地粘合，因此通过使用适当的化学物质进行处理会使其被轻度氧化。添加到结构中的氧原子使其能够与塑料（例如环氧树脂）形成键。涂上薄薄的保护涂层后，将其编织成所需尺寸的纱线。这些反过来又可以织成织物，然后通常掺入复合材料中。

结构与性质

单根纤维的直径约为0.0002至0.0004英寸（0.005至0.010毫米）。纱线由成千上万的这些股线编织在一起形成非常坚固的材料。在每条链中，碳原子的排列方式与石墨类似：六角环连接在一起形成薄片。在石墨中，这些板是平坦的，并且彼此之间松散地粘合在一起，因此它们很容易滑开。在碳纤维中，薄片被折叠和弄皱，并形成许多细小的，互锁的晶体，称为微晶。制造中使用的温度越高，这些微晶沿着纤维轴的取向就越多，强度也就越高。

在复合材料中，纤维本身的取向也很重要。依此，材料可以在某个方向上增强，也可以在所有方向上增强。在某些情况下，一小块可以承受许多吨的冲击，并且变形仍然很小。纤维复杂的交织性质使其很难断裂。

就强度/重量比而言，碳纤维复合材料是文明可以大量生产的最佳材料。最强的强度大约是钢的五倍，并且重量轻得多。正在研究将碳纳米管引入材料的可能性，这种方法可将强度重量比提高10倍或更多。

它具有的其他有用特性是其耐高温的能力和惰性。分子结构像石墨一样非常稳定，赋予其高熔点，使其与其他物质发生化学反应的可能性降低。因此，它对于可能受热的部件以及需要耐腐蚀的应用很有用。

用途

碳纤维用于许多需要高强度和低重量的地区。其中包括公共和私人交通工具，例如汽车，飞机和航天器；运动器材，例如赛车，滑雪板和钓鱼竿；和建设。该材料的相对惰性使它非常适合于化学工业和医学应用-由于它不会与体内物质发生反应，因此可以用于植入物。在土木工程中，已经确定可以通过较便宜的简单碳纤维增强材料避免旧桥的破坏和重建。

经济学

截至2013年，碳纤维的用途和需求受到其成本的限制。用复合材料制成的自行车通常要花费几千美元左右。一级方程式赛车的时速超过200英里/小时（320公里/小时），其制造和维护成本可能超过一百万美元，这在很大程度上取决于这种材料的慷慨使用。然而，需求的大幅增长主要是由于大型商用飞机产量的增加。如果可以显着降低成本，则它可能会成为用于具有极高耐用性和轻便性的车辆和小型产品的通用材料。