你了解么？碳纖維的世界竟是如此神奇！

碳纖維是一種輕質高強度的材料，在汽車和飛機上就有很多碳纖維材料組件。它可以被用來制造幾乎任何東西，自行車、高爾夫球桿甚至錢包，都可以用碳纖維制造。不過由于其制備工藝的復雜性和原料的高成本，目前碳纖維應用還不廣泛。

1、復雜的工藝流程

碳纖維也可以被稱為“復合材料”，它是一種非常精巧的材料，具有非常卓越的性能。在同等尺寸大小下，碳纖維往往比金屬的硬度更強，密度更小，這就是為什么碳纖維常常被用于車體外板和噴射式渦輪當中的原因。硬度這個性質其實包括了很多衡量指標。具體來說，碳纖維的抗張強度（即對抗拉伸的能力）是鋼的4倍，鋁的8倍。而它抗彎曲的能力也比鋼材和鋁材大得多。并且，盡管碳纖維強度很大，但是它的質量卻并不重，相反地，碳纖維的質量只有同體積鋼的三分之一。

碳纖維的優異性能得益于它的組成物和制備時添加的膠或環氧樹脂，碳纖維是由處理過的碳素長絲制成的，碳絲的厚度比人的頭發還要細。制備時添加的環氧樹脂能夠讓各種材料充分混合，并“硬化”。其制備方法大同小異，都需要經過上述的“原絲制備和上漿”過程。

沒有添加樹脂的原絲還稱不上是碳纖維。將碳纖維浸泡在環氧樹脂中，并用使之成型。長線軸中的原絲是被冷處理過的，為了防止樹脂固化，而當這些原絲被放置在模具表面上時，機械會瞬間加熱它，讓它馬上固化。

在經過原絲制備、上漿處理后，等到碳纖維固化了，產品就真正做好了。碳纖維在固化過程中可能會發生化學反應，生成原絲材料中不含碳的物質，導致纖維顆粒之間的團聚作用力更加強。

用碳纖維材料制成的渦輪組件

2、為什么是“碳”纖維?

碳纖維往往在需要剛度和輕質的地方卻是無可替代的，這可能是因為碳原子的特性，科學研究表明碳原子非常容易和其他原子成鍵。

碳元素是一種非常有意思的元素，自然界中堅硬的東西（金剛石）是碳單質，硬度低的物質之一（石墨）也是碳單質。一般來說，用碳制備的材料和用其他單質制得的材料物性一樣，都跟原子/分子成鍵的方式以及原子/分子團聚的方式有關。

碳原子間的成鍵方式決定了材料的性質。對石墨材料，碳原子是一層層堆積的，同一平面上的碳原子間所成的鍵非常強，但平面間的碳原子所成的鍵比較弱，這使得石墨材料非常容易分離(也使得石墨導電性能非常好）。而對于金剛石，碳原子成的鍵是三維的，晶胞屬于四方晶格，盡管單個鍵的鍵能比石墨的鍵能要低，但是它所有方向的鍵能都是相同的（表面原子除外），因此材料整體顯得堅硬得多。

石墨的晶胞屬于六方晶系

碳纖維的原絲制備使用的原材料中，常用的是聚丙烯氰纖維，即“PAN”，由C、H、N三種元素組成。得到的原絲非常的細，一般不到10微米厚。原料中的碳原子結構類似石墨分子，并會在處理過程中變為牢固的六方結構。

3、織布機上開出的“碳纖維之花”

碳纖維的布狀紋理和結構決定了它無法輕易成型，而成型是制備過程中必須經過的一步。通常情況下，碳纖維是被織布機“紡織”成型的。

不過除了這種紡織成型的方式外，還有一種利用模具成型的方式。碳纖維“布”通常都會有特殊的紋理和圖案，這些導致了布本身的性質有差異。對某種特定的布，它可能在水平和豎直方向上的抗拉強度都不錯，但在對角線放上卻很容易發生形變。不同的碳纖維布會在不同的軸方向上體現出抗拉性，但總有一個方向的抗拉強度并不高。

當然，完全成型的碳纖維在任何方向上的抗拉強度都是很大的。通常，會將不同紋理的碳纖維布疊在一起成型，這樣一來，得到的產物就在各個方向上都能達到預期的抗壓強度，讓整個碳纖維都顯得很堅硬。

4、碳纖維的“缺陷”

碳纖維材料也有一個缺點，那就是它的脆性可能很大。盡管碳纖維的強度很高，但是它的晶格結構比剛和鋁更容易破碎。

為什么不用碳纖維來制備所有的東西呢？跟成本有很大關系。碳纖維的制備工藝決定它并不能像其他化工產品一樣大量生產，它的工藝流程非常的復雜（包括原絲制備，上漿，固化）。除此之外，碳纖維制備使用的原料也并不便宜。

所以，這并不是碳纖維材料的問題，只要負擔得起高昂的成本，你可以用碳纖維制造任何你想要的物品。比如買自行車，只要你愿意付比鋁材自行車多3到10倍的價錢，那么你當然可以擁有一輛碳纖維自行車。在進口車輛中，碳纖維材料非常的常見，甚至一些非常平價的車，比如雪佛蘭科爾維特，也使用了碳纖維材料，只要不在意價錢，你能為你的愛車買到各種碳纖維組件，也能為你自己買到各種碳纖維生活用品。

特別是在航天等高科技領域，碳纖維的性價比是非常高的。新的空客和波音飛機（波音787和空客A350）的扇渦輪片都使用大量的碳纖維材料。碳纖維卓越的性能，輕質、強度高，完全抵消了制造成本高的瑕疵。波音公司在787的生產過程中發現，通常碳纖維材料并不像金屬材料一樣會出現焊接紋或裂紋，而在42架等待交付的飛機的翼板上卻發現碳纖維材料出現了應力破裂，因而不得不返工，原因顯示在縫隙間沒有填充墊片，導致應力過大?？磥硇虏牧系膽靡彩且豁椇苡刑魬鹦缘墓ぷ?。

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