有一種材料，不但能用在航天設備和飛機上，也能用來制作釣魚竿和羽毛球拍?？梢哉f是上得了天，下得了地的全能型材料。它就是碳纖維復合材料，那么碳纖維是怎么來的，它厲害在哪里，我國是否已經具備高端碳纖維的能力了呢？

碳纖維復合材料



碳纖維的出現離不開愛迪生

說到碳纖維材料的起源，就不得不提到大家都熟悉的一個人，愛迪生。1880年，愛迪生次用棉、麻、竹等天然植物纖維炭化后得到了碳纖維，并將碳纖維作為燈絲用在了白熾燈上，但是棉麻這些材料氣孔多，脆性大，而且容易氧化。1909年，將碳纖維在惰性氣體中加熱到2300℃以上后，獲得了早的石墨纖維。直到1910年鎢絲出現，成功運用于白熾燈燈絲中后，碳纖維的研究就停滯了。

 

1950年，美國聯合碳化公司次用人造絲作原料研制碳纖維。1959年，日本大阪工業試驗所次用丙烯腈作為原材料制得碳纖維。5年后，日本碳公司和東麗公司成功實現碳纖維產業化，從此成為了丙烯腈基碳纖維技術的領導者。1970年，美國聯合碳化物公司與日本東麗公司達成合作協議，聯合碳化物公司用碳化技術交換東麗公司的丙烯腈原絲技術，從此美國與日本都站在了碳纖維技術的前沿。到今天，美國聯合碳化公司和日本東麗公司已經成為了上屈一指的碳纖維研制生產公司。

日本東麗公司

碳纖維有多難造？

碳纖維主要由碳原子構成，含碳量在90%-95%，是一種無機高分子纖維，有三種材料能夠成為制作碳纖維的原料。聚丙烯腈（PAN）、瀝青和粘膠，其中PAN原絲所制得的碳纖維性能好，其次是瀝青，瀝青碳含量高，導電導熱性能優秀，而且價格低廉，也是一種優異的碳材料。碳纖維通常與樹脂等材料結合形成復合材料，這樣得到的材料比不銹鋼輕50%，比鋁合金輕30%，強度比玻璃纖維復合材料更高。

碳纖維與頭發絲的對比，黑色為碳纖維

碳纖維直徑約為5~10微米，而一根頭發絲的直徑約為40~50微米。所以碳纖維材料的制造工藝會十分復雜，涉及到化工、紡織、材料、精密機械等領域。好的碳纖維所有部分的強度、尺寸和性能都需要均勻，達到標準。稍有不慎就會影響穩定性，所以在原絲、設備、制作工藝上都有相當高的標準。

碳纖維涉及的領域

1.航空航天工業

碳纖維在航空航天領域的需求非常大，主要因為它的兩個優點：密度小、抗拉強度高。從前被廣泛使用在航空發動機上的鈦合金就是因為輕質、強度高。鈦合金的密度一般在4500kg/m³，而碳纖維的密度一般在1400~2000kg/m³，即使經過環氧樹脂強化后密度也不會超過1600kg/m³，遠比鈦合金材料輕。除此之外，碳纖維抗拉強度極高，想要拉斷高強度的碳纖維材料需要用更多的力，大概要用拉斷同樣橫截面積鋼鐵力量的2-4倍。所以碳纖維材料也沒有金屬材料那樣容易產生疲勞的問題。金屬疲勞后材料會產生裂紋，長時間作用力后整個材料都會裂開。所以碳纖維材料適合作為航空設備制造材料。

全大部分現有的先進民用客機，都是使用碳纖維作為飛機外殼。比如美國波音公司的波音787，這款飛機是款以碳纖維復合材料為主體材料的民用客機，它的機體結構有50%用的都是碳纖維復合材料。使得波音787可以節省維護費用，而且機體更輕更省油。

波音787材料分析圖

2.汽車制造業

寶馬已經開始將復合碳纖維材料運用在小型車外殼上，進行車身材料輕量化，追求節能減排。但是這種材料的一個致命缺點讓它只能運用于高端車輛的外殼。碳纖維復合材料的可塑性低，如果損壞只能進行整體更換，而且碳纖維價格高，一旦出事故一輛車基本就報廢了，即使能夠修復也需要高昂的成本。所以在汽車制造業，碳纖維材料深受超跑產商和F1賽車產商的青睞。碳纖維能很好的減輕車身重量，提升車速，重要的是，買超跑和賽車的人也不差錢，承受得起車體損壞的維修更換費用。

碳纖維超跑

3.體育器械制造業

傳統的體育器械過于笨重，而且耐腐蝕性差，碳纖維再次用它質地輕耐腐蝕的特質征服了體育界。像羽毛球拍、網球拍、帆船、自行車、滑雪板、高爾夫球桿等器械，使用碳纖維材料可以讓運動員更省力，更方便攜帶。這些器材幾乎都需要在戶外使用，會長期受到陽光的照射，碳纖維材料的耐腐蝕性能可以更好地提升器材的使用壽命。除了體育競技類器材，高端的釣魚竿使用的基本都是碳纖維材料，結合釣魚竿的使用場景，魚竿需要重量輕，扛得住風吹日曬、有良好的彈性和韌性。所以對于愛釣魚的人來說，碳纖維魚竿性價比更高。

碳纖維魚竿

還有很多領域都用得上碳纖維，建筑行業可以用碳纖維材料加固建筑物；可再生能源領域可以用碳纖維材料制造風力發電部件；電子領域的微小部件也能用到碳纖維，比如LCD投影儀和照相機鏡頭；醫療行業可以將碳纖維用于X射線掃描裝置，也可以用于制作假肢、輪椅、病床等。碳纖維材料已經在制造業廣泛運用，成為了多個領域的寵兒，那么它在的發展怎么樣呢？

碳纖維風車葉輪

的碳纖維技術能否突破壟斷？

研究碳纖維也快有50年了，20世紀70年代中期次開展了碳纖維技術專題討論，成立了研究所。80年代，我國從國外引進了碳纖維技術，國內碳纖維行業才開始發展。如今，也有大大小小的碳纖維企業幾十家，能夠量產碳纖維材料，但是制備工藝依然不如美日兩國。

到現在為止，核心先進技術依舊掌握在日本東麗公司和美國聯合碳化物公司手中。我國現在生產的較好的碳纖維每束基本處于0.1萬根至1.2萬根之間，只是小絲束碳纖維，小絲束碳纖維的單線產能和質量都比較低，大絲束碳纖維材料一直都依賴進口，而且經常供不應求。

圖中白色部分為48K大絲束碳纖維樣本

值得慶幸的是，在10余所高校、科研院所、企業的共同努力下，我國終于在2018年取得碳纖維技術的重大突破，成功實現了從12K小絲束到48K大絲束的飛躍，初步達到先進水平。2021年1月4日，石化上海石化“1.2萬噸/年 48K大絲束碳纖維”項目正式開工建設，投資35億元，計劃至2024年全部完成。相信這樣的突破和舉措能大大改善我國大絲束碳纖維被美日“卡脖子”的窘境。