碳纤维：探索、创新和替代传统聚合物和金属

碳纤维，又称碳石墨，是一种通过将合成纤维或聚丙烯腈纤维或石油渣加热到适当温度制成的高强度纤维。如今，碳纤维已成为许多产品的重要组成部分，并且每年都在开发新的应用。美国、日本和西欧是碳纤维的主要生产国。

是什么让它们独一无二？

碳纤维是聚合物复合材料中最坚硬、最强的增强纤维，仅次于玻璃纤维。碳纤维按纤维的拉伸模量分类。拉伸模量是衡量一定直径的纤维可以施加多大的拉力而不会断裂的量度。根据纤维的取向，碳纤维复合材料可以在某个方向上更强，也可以在所有方向上同样强。一小块可以承受数吨的冲击，并且变形仍然很小。纤维的复杂交织性质使其很难断裂。

主要应用领域

碳纤维的两个主要应用是专业技术，包括航空航天和核工程。其他功能领域包括纺织品、微电极、碳纤维增强复合材料用于制造飞机和航天器零件、赛车车身、高尔夫球杆杆、自行车车架、钓鱼竿、汽车弹簧、帆船桅杆以及许多其他需要轻质和高强度的部件。

碳纤维的分类

根据模量、强度和最终热处理温度，碳纤维可分为不同类别。

原材料及制造工艺

用于制造碳纤维的原材料称为前驱体。大约90%的碳纤维由聚丙烯腈（PAN）制成。剩下的10%由人造丝或石油沥青制成。所有这些材料都是有机聚合物，其特征是被碳原子结合在一起的长串分子。每种前体的确切成分因公司而异，通常被视为商业秘密。

制造工艺

制造碳纤维的过程部分是化学的，部分是机械的。前体（纤维的分子骨架）被拉成长链或纤维，然后加热到非常高的温度，不允许它与氧气接触。没有氧气，纤维就无法燃烧。相反，高温会导致纤维中的原子剧烈振动，直到大部分非碳原子被排出。这个过程称为碳化，留下由长而紧密互锁的碳原子链组成的纤维，只剩下少数非碳原子。

安全问题

碳纤维处理的主要健康危害是由于机械刺激和磨损，类似于玻璃纤维。如果不加以控制，这些微纤维有可能粘在人体皮肤或粘膜中，引起刺激。保护眼睛和喉咙免受碳纤维粉尘的侵害至关重要。

碳纤维复合材料取代传统材料的一些原因

1. 高强度重量比：碳纤维的重量约为钢的25%，铝的70%，并且比这两种材料的重量更坚固、更硬。高端汽车工程师使用复合材料将车辆重量减轻多达60%，同时提高碰撞安全性。

2. 耐久性：CF复合材料无论环境如何，都不会生锈。CF复合材料的断裂韧性低于金属，但高于大多数聚合物。高尺寸稳定性使它们能够保持其形状，无论是热还是冷，湿还是干。

3. 新的设计选项：CF复合材料提供了传统材料难以实现的设计选项。它允许零件合并;单个复合材料零件可以替代金属零件的完整组件。

碳纤维的未来

碳纤维增强塑料（CFRP）市场的未来看起来很有吸引力，在航空航天、汽车、压力容器和风能行业都有机会。该市场的主要驱动力是对高性能和轻质复合材料的需求不断增长，以及各种最终用途行业的性能要求不断提高。对行业动态有直接影响的新兴趋势包括开发降低碳纤维制造成本的技术，以及零件制造和CFRP的再利用，因为回收的碳纤维降低了产品成本和环境影响。