碳纖維是一種使能材料，自從它在 1970 年代初成為真正的工業化材料以來，已經在廣泛的商業應用中得到了顯著的增長和采用。它是一種令人興奮的材料，因為它提供了性能改進、顯著的重量減輕、熱膨脹控制、剛度、隱身可能性、抗疲勞性和其他獨特特性。在為每種應用選擇合適的纖維時，必須了解可用的碳纖維的類型和形式。
History

市售碳纖維基于三種前體材料之一——人造絲、PAN（聚丙烯腈）和瀝青。這些碳纖維類型的早期研究可以追溯到 1950 年代后期。人造絲被轉化為碳纖維，被發現可以提供有史以來最堅固、最堅硬的材料。到 1963 年，Curry Ford 和 Charles Mitchell 獲得了通過將人造絲熱處理到高達 3000 °C 的溫度來制造纖維和布料的專利。這些是迄今為止商業生產的最強碳纖維，并導致碳纖維進入“先進復合材料”行業。日本和英國同時進行了轉化更高效前體的研究 日本大阪政府工業研究所的 Akio Shindo 在他的實驗室中制造出模量超過 140 GPa 的纖維，約為人造絲基纖維的三倍美國生產的纖維 1963 年，英國科學家還為生產更高模量 PAN 基碳纖維的工藝申請了專利。這些快速改進的碳纖維背后的秘訣在于獲得純 PAN，這是一種聚合物骨架，可在加工后提供出色的產量。
進步

在 1970 年代初期，人們發現加熱瀝青（石油或煤基）會產生可用于生產碳纖維的高碳有機前體。瀝青基碳纖維具有優異的模量和導熱性，但與 PAN 基碳纖維相比，其拉伸強度和壓縮強度不足。

隨后幾年對這些新型碳纖維材料的持續研究和開發導致了我們今天看到的創新。目前所有三種前體類型的碳纖維都可以在市場上買到，但 PAN 占主導地位，超過 90% 的碳纖維是由這種前體生產的。
商業用途

碳纖維增強復合材料的商業應用在 1970 年代末和 1980 年代初開始加速，并應用于軍用和商用飛機以及高爾夫球桿桿身和網球拍等休閑產品。自推出以來，成本/收益權衡一直是碳纖維面臨的挑戰。早期，飛機設計師渴望獲得碳纖維復合材料的減重優勢，但他們將復合材料用作“黑鋁”，而碳纖維與鋁相比成本相對較高，限制了其在商業航空航天領域的應用。軍用飛機和武器系統以及娛樂產品引領了對碳纖維的需求增長，而商業航空航天繼續了解復合材料可以帶來的真正好處。隨著在波音 787 和空客 A350 上創新使用碳纖維復合材料，碳纖維復合材料已成為最先進商用飛機的使能技術。
未來

包括 Hexcel 在內的制造商基于碳纖維生產不斷創新和構建產品組合。碳纖維現在可提供從標準模量纖維 (33 Msi)、中等模量纖維 (42 Msi) 和高模量纖維 (>50 Msi) 的全系列性能，拉伸強度范圍從 500 ksi 到 > 1000 ksi。碳纖維也有多種絲束尺寸（紗線束中的長絲數量），從 1K 長絲到 320K 長絲不等。

復合材料零件生產商現在有廣泛的碳纖維性能和產品形式可供選擇。近年來，先進的復合材料零件制造已經成熟，從碳預浸料的手工鋪層轉變為許多自動化和快速的生產工藝。多年來，隨著碳復合材料具有成本效益的制造技術的發展增加，制造碳纖維的成本已經下降，從而導致了先進復合材料的廣泛采用。
隨著碳纖維復合材料使用的增長，該行業必須關注復合材料的報廢技術。經濟的回收、回收和再加工技術顯示出碳纖維的巨大前景。現在有一些方法可以將碳纖維從基質中分離出來，幾乎不會降解，并將它們重新用于各種應用。復合材料回收的持續進步對于確保與傳統金屬和塑料繼續保持競爭力至關重要。
Hexcel 很自豪能夠成為碳纖維早期開發和商業化的重要組成部分。我們還擁有碳纖維的技術、產品和增值工藝，包括織造、非卷曲織物、預浸料和增材制造材料。我們擁有制造規模和裝機容量，可以滿足行業未來的需求。我們將繼續成為碳纖維的行業領導者，擁有廣泛的產品組合和無與倫比的產品系列，在許多航空航天和工業應用中提供卓越的性能

關于作者
Tom Haulik 是 Hexcel 全球碳纖維的銷售總監。他在碳纖維行業擁有 40 年的經驗，在其整個職業生涯中擔任過各種銷售和營銷職位。他活躍于行業組織，目前是 SAMPE（材料和工藝工程促進協會）的受托人和董事會成員，此前他曾擔任國際主席。他活躍于 CAMX、ACMA、NCTO 和其他行業組織。他在賓夕法尼亞州立大學獲得工業工程學位。