你了解什么是“碳纤维”吗？

碳纤维是一种轻质高强度的材料，在汽车和飞机上就有很多碳纤维材料组件。它可以被用来制造几乎任何东西，自行车、高尔夫球杆甚至钱包，都可以用碳纤维制造。不过由于其制备工艺的复杂性和原料的高成本，目前碳纤维应用还不广泛。

1、复杂的工艺流程

碳纤维也可以被称为“复合材料”，它是一种非常精巧的材料，具有非常卓越的性能。在同等尺寸大小下，碳纤维往往比金属的硬度更强，密度更小，这就是为什么碳纤维常常被用于车体外板和喷射式涡轮当中的原因。硬度这个性质其实包括了很多衡量指标。具体来说，碳纤维的抗张强度（即对抗拉伸的能力）是钢的4倍，铝的8倍。而它抗弯曲的能力也比钢材和铝材大得多。并且，尽管碳纤维强度很大，但是它的质量却并不重，相反地，碳纤维的质量只有同体积钢的三分之一。

碳纤维的优异性能得益于它的组成物和制备时添加的胶或环氧树脂，碳纤维是由处理过的碳素长丝制成的，碳丝的厚度比人的头发还要细。制备时添加的环氧树脂能够让各种材料充分混合，并“硬化”。其制备方法大同小异，都需要经过上述的“原丝制备和上浆”过程。

没有添加树脂的原丝还称不上是碳纤维。将碳纤维浸泡在环氧树脂中，并用使之成型。长线轴中的原丝是被冷处理过的，为了防止树脂固化，而当这些原丝被放置在模具表面上时，机械会瞬间加热它，让它马上固化。

在经过原丝制备、上浆处理后，等到碳纤维固化了，产品就真正做好了。碳纤维在固化过程中可能会发生化学反应，生成原丝材料中不含碳的物质，导致纤维颗粒之间的团聚作用力更加强。

2、为什么是“碳”纤维?

碳纤维往往在需要刚度和轻质的地方却是无可替代的，这可能是因为碳原子的特性，科学研究表明碳原子非常容易和其他原子成键。

碳元素是一种非常有意思的元素，自然界中坚硬的东西（金刚石）是碳单质，硬度低的物质之一（石墨）也是碳单质。一般来说，用碳制备的材料和用其他单质制得的材料物性一样，都跟原子/分子成键的方式以及原子/分子团聚的方式有关。

碳原子间的成键方式决定了材料的性质。对石墨材料，碳原子是一层层堆积的，同一平面上的碳原子间所成的键非常强，但平面间的碳原子所成的键比较弱，这使得石墨材料非常容易分离(也使得石墨导电性能非常好）。而对于金刚石，碳原子成的键是三维的，晶胞属于四方晶格，尽管单个键的键能比石墨的键能要低，但是它所有方向的键能都是相同的（表面原子除外），因此材料整体显得坚硬得多。

3、织布机上开出的“碳纤维之花”

碳纤维的布状纹理和结构决定了它无法轻易成型，而成型是制备过程中必须经过的一步。通常情况下，碳纤维是被织布机“纺织”成型的。

不过除了这种纺织成型的方式外，还有一种利用模具成型的方式。碳纤维“布”通常都会有特殊的纹理和图案，这些导致了布本身的性质有差异。对某种特定的布，它可能在水平和竖直方向上的抗拉强度都不错，但在对角线放上却很容易发生形变。不同的碳纤维布会在不同的轴方向上体现出抗拉性，但总有一个方向的抗拉强度并不高。

尽管近几年受到世界范围内石油价格波动和区域经济大幅度变动的影响，以石油为主要资源的聚酯产业链依然以年均3%的发展速度增长。据分析，近3年至今后的几年内，包括PET、PBT和PTT等以二元酸和二元醇为主要原料的世界聚酯产能将突破8000万t。从品种和消费统计来看，PET纤维的增幅略有下降，但仍将占据总量的60%，非纤聚酯的占比接近30%，回收再生聚酯则占10%。2014年，世界聚酯消耗量超过7580万t。

4、碳纤维的“缺陷”

碳纤维材料也有一个缺点，那就是它的脆性可能很大。尽管碳纤维的强度很高，但是它的晶格结构比刚和铝更容易破碎。

为什么不用碳纤维来制备所有的东西呢？跟成本有很大关系。碳纤维的制备工艺决定它并不能像其他化工产品一样大量生产，它的工艺流程非常的复杂（包括原丝制备，上浆，固化）。除此之外，碳纤维制备使用的原料也并不便宜。

所以，这并不是碳纤维材料的问题，只要负担得起高昂的成本，你可以用碳纤维制造任何你想要的物品。比如买自行车，只要你愿意付比铝材自行车多3到10倍的价钱，那么你当然可以拥有一辆碳纤维自行车。在进口车辆中，碳纤维材料非常的常见，甚至一些非常平价的车，比如雪佛兰科尔维特，也使用了碳纤维材料，只要不在意价钱，你能为你的爱车买到各种碳纤维组件，也能为你自己买到各种碳纤维生活用品。

特别是在航天等高科技领域，碳纤维的性价比是非常高的。新的空客和波音飞机（波音787和空客A350）的扇涡轮片都使用大量的碳纤维材料。碳纤维卓越的性能，轻质、强度高，完全抵消了制造成本高的瑕疵。波音公司在787的生产过程中发现，通常碳纤维材料并不像金属材料一样会出现焊接纹或裂纹，而在42架等待交付的飞机的翼板上却发现碳纤维材料出现了应力破裂，因而不得不返工，原因显示在缝隙间没有填充垫片，导致应力过大。看来新材料的应用也是一项很有挑战性的工作。