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。它可以被用來製造幾乎任何東西，自行車、高爾夫球杆甚至錢包，都可以用碳纖維製造。不過由於其製備工藝的複雜性和原料的高成本，目前碳纖維應用還不廣泛。

1、複雜的工藝流程

碳纖維也可以被稱為「複合材料」，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，這就是為什麼碳纖維常常被用於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。並且，儘管碳纖維強度很大，但是它的質量卻並不重，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於它的組成物和製備時添加的膠或環氧樹脂，碳纖維是由處理過的碳素長絲製成的，碳絲的厚度比人的頭髮還要細。製備時添加的環氧樹脂能夠讓各種材料充分混合，並「硬化」。其製備方法大同小異，都需要經過上述的「原絲製備和上漿」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，並用使之成型。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。

在經過原絲製備、上漿處理後，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。

用碳纖維材料製成的渦輪組件

2、為什麼是「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，自然界中最堅硬的東西（金剛石）是碳單質，硬度最低的物質之一（石墨）也是碳單質。一般來說，用碳製備的材料和用其他單質製得的材料物性一樣，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）。而對於金剛石，碳原子成的鍵是三維的，晶胞屬於四方晶格，儘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。

石墨的晶胞屬於六方晶系

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，而成型是製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並不高。

儘管近幾年受到世界範圍內石油價格波動和區域經濟大幅度變動的影響，以石油為主要資源的聚酯產業鏈依然以年均3%的發展速度增長。據分析，近3年至今後的幾年內，包括PET、PBT和PTT等以二元酸和二元醇為主要原料的世界聚酯產能將突破8000萬t。從品種和消費統計來看，PET纖維的增幅略有下降，但仍將佔據總量的60%，非纖聚酯的佔比接近30%，回收再生聚酯則佔10%。2014年，世界聚酯消耗量超過7580萬t。

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。儘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。

為什麼不用碳纖維來製備所有的東西呢？跟成本有很大關係。碳纖維的製備工藝決定它並不能像其他化工產品一樣大量生產，它的工藝流程非常的複雜（包括原絲製備，上漿，固化）。除此之外，碳纖維製備使用的原料也並不便宜。

所以，這並不是碳纖維材料的問題，只要負擔得起高昂的成本，你可以用碳纖維製造任何你想要的物品。比如買自行車，只要你願意付比鋁材自行車多3到10倍的價錢，那麼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。最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，完全抵消了製造成本高的瑕疵。波音公司在787的生產過程中發現，通常碳纖維材料並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。看來新材料的應用也是一項很有挑戰性的工作。

新聞來源：新材料在線