你了解么？碳纤维的世界竟是如此神奇！

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。

用碳纤维材料制成的涡轮组件

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，自然界中最坚硬的东西（金刚石）是碳单质，硬度最低的物质之一（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。

石墨的晶胞属于六方晶系

碳纤维的原丝制备使用的原材料中，最常用的是聚丙烯氰纤维，即“PAN”，由C、H、N三种元素组成。得到的原丝非常的细，一般不到10微米厚。原料中的碳原子结构类似石墨分子，并会在处理过程中变为牢固的六方结构。

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。

当然，完全成型的碳纤维在任何方向上的抗拉强度都是很大的。通常，会将不同纹理的碳纤维布叠在一起成型，这样一来，得到的产物就在各个方向上都能达到预期的抗压强度，让整个碳纤维都显得很坚硬。

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。最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。