第一节什么是碳纤维
1.什么是碳纤维
碳纤维是以粘胶丝、聚丙烯腈或沥青等有机母体纤维，经过高温分解在1000℃～3000℃的惰性气体下制成的一种新型合成纤维。
经过高温分解，原来材料中碳以外的所有元素都被分离出来。所以碳纤维中碳的含量在90%以上。碳纤维的颜色为黑色，坚硬，它不仅强度高，而且重量轻。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它是一种合成纤维，不仅有碳材料原来的特性，还兼具纺织纤维的柔软性和可加工性。如果单就它一种材料很难说明它性能的优越，在业内，人们一般将它和其他材料比较从而显示它的与众不同。碳纤维在强度上比钢大，在密度上比铝小，在耐腐蚀性上比不锈钢好，在耐热性上比耐热钢还耐高温，在导电性能上又能像铜那样导电。此外，碳纤维还具有许多电学、热学和力学特性。比如，碳纤维的轴向强度和模量很高，无蠕变，耐磨性也很好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，X射线透过性好。
因而它是一种用途十分广泛的新型材料。不过美中不足的是碳纤维的耐冲击性比较差，容易损伤。而且在强酸中很容易发生氧化，与金属复合会让金属发生碳化、渗碳及电化学腐蚀反应。因而，碳纤维要先进行表面处理之后才能使用。
（1）碳纤维的制造
你知道吗？世界上第一个碳纤维的制造商是TORAY，他们是1971年开始从事碳纤维（PAN基碳纤维）工业化生产的。该公司给产品取名叫“TORAYCA”，其实这个名字是TORAY碳纤维的缩写。到目前为止，在全球领域TORAY仍然是生产和营销碳纤维的领导者。
在全球领域，所有的碳纤维制造厂家生产的碳纤维有两种。一种就是以聚丙烯腈为原料的PAN基碳纤维；另一种是由煤、石油加工合成沥青基碳纤维，然后再聚合成纤维，即沥青基的碳纤维。不过，前者在碳纤维生产中占有绝对优势，因为PAN基的碳纤维在强度上比沥青基的碳纤维要好一些。
说起碳纤维，很多人一定很关心它是如何做成的。下面我们谈谈它的制作工艺。在PAN基碳纤维的生产过程中，首先是将聚丙烯腈通过聚合和纺纱工艺制成聚丙烯腈纤维，通常人们管聚丙烯腈纤维叫母体。接下来，将这些母体放到氧化炉里加热到200℃～300℃进行氧化。此外，这些原料还要在更高温度的碳化炉（温度为1000℃～2000℃）中碳化。
PAN基碳纤维还有粗纤维和细纤维之分。一般而言，除了常规类型的细碳纤维之外，PAN基碳纤维还包括一种被人们叫做“人丝束类型碳纤维”的粗纤维。通常，这种粗纤维的生产成本是比较低的。
一般来说，碳纤维的产品形式有4种，即纤维、布料、预浸料坯和短切纤维。其中，布料指的是由碳纤维制成的织品。预浸料坯则是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状的一种产品。通常所说的短切纤维指的是短丝。
（2）碳纤维特性
关于碳纤维的特性，前面我们已经说了不少。如人们通常所说，碳纤维是一种比铝还要轻、比钢还要硬的新材料。更特别的是它们的比重很小。例如它的比重是铁的1/4，而强度却是铁的10倍。与它的同类——纤维比较起来你就可以初步了解碳纤维的特性。
与其他纤维相比，碳纤维也有着独特的优越性。碳纤维的杨氏模量是传统的玻璃纤维的3倍多，是凯芙拉纤维的2倍左右。而且，碳纤维在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，它的耐蚀性也是出类拔萃的。根据相关学者的实验，在1981年将碳纤维浸泡在强碱氢氧化钠溶液中，让人吃惊的是虽然历经20多年，它还保持着原有的纤维形态。
作为一种物质，碳纤维是由和钻石同等材质的碳制成的。正是因为如此，碳纤维还有优越的抗张强度，它在化学组成上也十分稳定，并且抗腐蚀性也很强。碳纤维还具有包括高度的X射线穿透性，较高的抗化学、抗热和抗低温能力等其他特性。
正是由于碳纤维具有这些特性，所以它们在很多领域都很适用，因而也就决定了碳纤维用途的广泛性。简而言之，碳纤维主要用于包括体育运动，诸如用来制作高尔夫球棒和钓鱼竿，或者在航空航天领域中制作飞机元件以及工业用途中。
随着科学技术的发展和工业的不断进步，人们也在搜寻更多的新材料以适应现代科技以及工业生活的需要。碳纤维作为一种新型的材料，其需求量也在不断的增长中。目前，它已经广泛地应用于各行各业中，比如医疗设备、压力容器、土木工程和建筑材料、能源等等领域，到处都是它发挥作用的用武之地。随着碳纤维生产技术的发展，以及生产量的增加，碳纤维的生产成本也在逐渐降低，其加工技术也日趋多元化。不同的制造商根据具体的需求也生产出一系列的碳纤维产品。
2.什么是碳纤维复合材料
在日益发挥着重要作用的复合材料大家族中，纤维增强材料越来越受到人们的关注。我们这里说的就是碳纤维复合材料，它是复合材料家族中的新宠。最先问世的是玻璃纤维和有机树脂复合的玻璃钢，之后碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料等新成员，也相继出现在复合材料的大家族中。复合材料在不断发展中，其性能也在不断地改进，复合材料前景可谓一片大好。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。
从前面的介绍中我们知道，碳纤维是一种主要由碳元素组成的特种纤维。虽然它的含碳量因产品种类的不同而不同，不过，碳纤维的含碳量一般都在90%以上。作为一种新型材料，碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等。不过，碳纤维作为一种复合材料，还优于一般碳素材料。比如它的外形有显着的各向异性、柔软、可加工成各种织物，且沿纤维轴方向有很高的强度。碳纤维还具有比重小的优点，有很高的比强度。
我们知道，碳纤维是一种含碳量较高的人造化学纤维，它即使经过热处理过程也不会熔融。
它是经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺最终制成的新材料。将碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，便得到了结构材料。经复合而得到的碳纤维增强环氧树脂复合材料，在现有的所有结构材料中，比强度、比模量综合指标是最高的。此外，碳纤维复合材料无论是在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求，还是在高温、化学稳定性要求比较高的场合，优势都是十分显着的。用碳纤维与塑料制成的复合材料制作成的飞机，不仅重量轻，还有能量消耗少、推力大、噪音小的优点。用碳纤维增强塑料制造的卫星和火箭等宇宙飞行器，不但机械强度高，而且质量小，能节约大量的燃料。所以，碳纤维复合材料同时也是一种环保节能的材料。
第二节碳纤维的应用
1.碳纤维在军事领域的应用
军工，是碳纤维开发之初的主要用途。碳纤维特有的一些性能使它成为这一领域不可或缺的好材料。碳纤维以其高强的性能一度是火箭、导弹、战斗机、作战装甲、海军舰船等尖端武器装备的重要基础材料。举个例子，战略导弹在飞行中温度极高，只有耐高温的碳纤维复合材料才能满足这样的需要。而作为战略导弹固体火箭发动机和弹头的材料，它的重量每减少1千克，射程就会有大幅度的增长。因而，在军事上，碳纤维作为高科技材料得到了广泛的应用。
虽然在冷战以后，碳纤维在军事上的需求大减。不过在新武器装备的研制中，碳纤维却是军事领域的宠儿。2006年，美国海军最新型高速隐形试验快艇代号M80的“短剑”(Stiletto)，就是采用了碳纤维复合材料制成。
截止到目前，“短剑”是美国采用碳纤维复合材料一次成型的最大船体。据相关报道称，该快艇在整体制造成型过程中，没有使用焊接，更无须铆接，整个船体外表看起来很光滑，而且在重量上比其他材料的船体要轻得多。虽然，比起普通的钢和铝合做材料，成本上偏高了一些。但随着碳纤维制造工艺的发展，碳纤维制造的成本会降低；而且这-快艇制造技术成熟之后，进行批量生产的时候，制造成本也会有较大幅度的下降。因而，前景是十分值得期待的。
综合评价美国的“短剑”快艇，它的艇体的这种设计，加上碳纤维复合材料的使用，使它获得了很高的速度，而且它行驶过程中的稳定性也得到了提高。它不会像以前的舰艇一样，在高速行驶中会出现大幅的沉浮现象。即便在高速中回转，该舰艇仍然能保持平稳行驶。这样一来，艇员的舒适度得到增加，快艇的航行的安全性也得到了提高，从而使这种快艇使用的范围也就扩大了。还有一点值得注意的是，由于快艇的阻力降低了，与其他快艇相比，“短剑”则更能节省燃料。
2.碳纤维在民用领域的应用
碳纤维在民用领域的繁荣是在1991年之后。1991年冷战结束，作为军事用途的碳纤维的使用量进入了萎缩期，再加上经济的泡沫破灭出现萧条，使碳纤维出现供大于求的状态，碳纤维产业受到了很大的冲击。可以说是民用需求将碳纤维生产业从萧条中解救了出来。当时，美国波音公司生产新锐机型B777采用了碳纤维，加上土木、建筑、汽车与复合材料的应用开始扩展，让碳纤维产业重新获得了生机。
根据相关材料显示，目前各种用途占碳纤维年需求的比例是这样的：体育用途占30％左右，航空用途占10％左右，工业用途占60％左右。当然，各国的比例也是不一样的。如美国碳纤维各用途的比例为：航天74.40%，船舰、工业13.60%，汽车、运动器材12.10%。而在日本，这一比例分别为4.00%、33.60%、62.40%。
毋庸置疑，体育用途在碳纤维的应用比例中已经占了很大的比例。通常而言，体育用途中比较重要的应用有3种，即高尔夫球棒、钓鱼竿和网球拍框架。随着人们生活水平的提高，高尔夫球已经逐步走进更多人的生活，所以高尔夫球棒的需求也不断增加。估计近几年每年高尔夫球棒的产量都不低于3400万支。事实上，这些高尔夫球棒主要产自美国、中国、日本和中国台北。其中，这些球棒大部分都销往美国和日本，仅两国的消费量就占全球消费量的80％以上。还有一个比例已经广为人知，即全世界40％的碳纤维高尔夫球棒是由TORAY的碳纤维制造的。
据统计，全世界人均每年生产碳纤维钓鱼竿2000万副，这就意味着在钓鱼竿生产中碳纤维的需求是稳定的。再来看看网球拍框架，相关数据显示，世界上人均每年生产的网球拍框架为600万副。此外，其他体育项目包括冰球棍、滑雪杖、射箭和自行车中也要用到碳纤维。
而碳纤维在划船、赛艇、冲浪和其他的海洋运动项目中也有应用。
航天航空器材中，在1992年对碳纤维的需求开始有所减少。究其原因，主要是由于商业飞机衰退的结果。不过，这一情况在1995年初就开始改变了。这是因为年生产效率在整体上都有的大幅度的提升，同时波音777飞机的生产也采用TORAY的碳纤维作为结构材料。在波音777飞机生产中，主要用碳纤维做水平和垂直的横尾翼和横梁。因为这两部分结构十分重要，一旦这两部分受损，飞行中的飞机就有坠毁的危险。因此，业界人士管这些材料叫“首要的结构材料”。正因为它的重要性，所以对它的要求是极其苛刻的。
而新的复合材料——碳纤维，正好符合了这一要求。波音777飞机的生产中，TORAY成为了波音公司指定的唯一有资格的碳纤维制造商。此外，碳纤维在欧洲空客也派上了用场。据专家推断，新型客机A380上有可能会采用TORAY的TORAYCA碳纤维。
在工业领域，碳纤维的应用也越来越广泛。作为一种性能很好的复合材料，它们可以满足环境、安全和能源要求，所以正在取代金属和混凝土，在工业领域发挥日渐重要的作用，进而它的工业需求量也日渐增长。
同样，在土木工程和建筑领域碳纤维的应用也在发展中。而且，在这一行业中，应用碳纤维的抗震修复也是一项主要突破。此外，碳纤维还可以用在机器元件、家用电器、微机，及与半导体相关的设备的复合材料的生产中。碳纤维可以用来防静电和防电磁波。另外，碳纤维可以防止X射线对人体的危害，在X射线仪器市场上，碳纤维的应用可以减少人体受X射线下的伤害从而降低其对人体辐射的伤害。
碳纤维在汽车行业的应用是从近些年才开始的。随着碳纤维成本的连续降低，加上人们环保意识的提高，碳纤维开始被应用于汽车领域。在将来，它们将被用来做汽车尾部沸腾器、发动机以及传动轴和燃料箱的材料。我们相信，不久碳纤维会以它良好的性能在我们的生活中发挥越来越重要的作用，它会在更多的领域里为人们的生活提供优质的服务！
