你了解么？碳纖維的世界竟是如此神奇！

碳纖維是一種輕質(zhì)高強(qiáng)度的材料，在汽車和飛機(jī)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(fù)雜性和原料的高成本，目前碳纖維應(yīng)用還不廣泛。

1、復(fù)雜的工藝流程

碳纖維也可以被稱為“復(fù)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(qiáng)，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(dāng)中的原因。硬度這個(gè)性質(zhì)其實(shí)包括了很多衡量指標(biāo)。具體來說，碳纖維的抗張強(qiáng)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(qiáng)度很大，但是它的質(zhì)量卻并不重，相反地，碳纖維的質(zhì)量只有同體積鋼的三分之一。

碳纖維的優(yōu)異性能得益于它的組成物和制備時(shí)添加的膠或環(huán)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(fā)還要細(xì)。制備時(shí)添加的環(huán)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(jīng)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(huán)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(dāng)這些原絲被放置在模具表面上時(shí)，機(jī)械會(huì)瞬間加熱它，讓它馬上固化。

在經(jīng)過原絲制備、上漿處理后，等到碳纖維固化了，產(chǎn)品就真正做好了。碳纖維在固化過程中可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成原絲材料中不含碳的物質(zhì)，導(dǎo)致纖維顆粒之間的團(tuán)聚作用力更加強(qiáng)。

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?jiǎng)偠群洼p質(zhì)的地方卻是無可替代的，這可能是因?yàn)樘荚拥奶匦裕茖W(xué)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，自然界中最堅(jiān)硬的東西（金剛石）是碳單質(zhì)，硬度最低的物質(zhì)之一（石墨）也是碳單質(zhì)。一般來說，用碳制備的材料和用其他單質(zhì)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(tuán)聚的方式有關(guān)。

碳原子間的成鍵方式?jīng)Q定了材料的性質(zhì)。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(qiáng)，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(dǎo)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(gè)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(jiān)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，最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(xì)，一般不到10微米厚。原料中的碳原子結(jié)構(gòu)類似石墨分子，并會(huì)在處理過程中變?yōu)槔喂痰牧浇Y(jié)構(gòu)。

3、織布機(jī)上開出的“碳纖維之花”

碳纖維的布狀紋理和結(jié)構(gòu)決定了它無法輕易成型，而成型是制備過程中必須經(jīng)過的一步。通常情況下，碳纖維是被織布機(jī)“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(huì)有特殊的紋理和圖案，這些導(dǎo)致了布本身的性質(zhì)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(qiáng)度都不錯(cuò)，但在對角線放上卻很容易發(fā)生形變。不同的碳纖維布會(huì)在不同的軸方向上體現(xiàn)出抗拉性，但總有一個(gè)方向的抗拉強(qiáng)度并不高。

當(dāng)然，完全成型的碳纖維在任何方向上的抗拉強(qiáng)度都是很大的。通常，會(huì)將不同紋理的碳纖維布疊在一起成型，這樣一來，得到的產(chǎn)物就在各個(gè)方向上都能達(dá)到預(yù)期的抗壓強(qiáng)度，讓整個(gè)碳纖維都顯得很堅(jiān)硬。

4、碳纖維的“缺陷”

碳纖維材料也有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是它的脆性可能很大。盡管碳纖維的強(qiáng)度很高，但是它的晶格結(jié)構(gòu)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(guān)系。碳纖維的制備工藝決定它并不能像其他化工產(chǎn)品一樣大量生產(chǎn)，它的工藝流程非常的復(fù)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(fù)擔(dān)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(jià)錢，那么你當(dāng)然可以擁有一輛碳纖維自行車。在進(jìn)口車輛中，碳纖維材料非常的常見，甚至一些非常平價(jià)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(jià)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(lǐng)域，碳纖維的性價(jià)比是非常高的。最新的空客和波音飛機(jī)（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(zhì)、強(qiáng)度高，完全抵消了制造成本高的瑕疵。波音公司在787的生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，通常碳纖維材料并不像金屬材料一樣會(huì)出現(xiàn)焊接紋或裂紋，而在42架等待交付的飛機(jī)的翼板上卻發(fā)現(xiàn)碳纖維材料出現(xiàn)了應(yīng)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(dǎo)致應(yīng)力過大。看來新材料的應(yīng)用也是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的工作。