以碳纤维作为增强材料的先进复合材料具有高比强度 、高比模量 、可设计性强、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳和热膨胀系数小等一系列的优异性能。 碳纤维及其复合材料优异的性能使其被广泛应用于航空航天、轨道交通、车辆制造 、武器装备、工程机械、基础设施建设、海洋工程、石油工程、风力能源 、体育用品等领域。
碳纤维主要可以分为聚丙烯睛（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类，其中以 PAN基碳纤维为主流，占全球碳纤维总产量的90％以上。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧 、碳化几个阶段形成 .PAN基碳纤维具有高强 度 、高刚度、重量轻、耐高温 、耐腐蚀、优异的电性能等特点, 并具有很强的抗压抗弯性能 ,一直在增强复 合材料中保持着主导地位 .目前 , PAN基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流.
沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料, 经沥青的精制 、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成. 沥青基碳纤维的生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维, 但由于沥青基碳纤维的生产工艺复杂,反而使其 生产成本大大增加.此外, 沥青基碳纤维抗压强度比较低 ,其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纤维,因此 其生产规模和应用领域都受到了一定限制 .不过,由于沥青基碳纤维具有优良的传热 、导电性能和极低 的热膨胀系数,因此仍在必须要求这些性能的军工及航天领域发挥着独特作用.
粘胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的.粘胶基碳纤维 的三维石墨结构不发达,导热系数小 ;石墨层间距大 ,石墨微晶取向度低 ,因此是理想的耐烧蚀和隔热及 热防护材料 .同时 ,粘胶基碳纤维是由天然纤维素木材或棉绒转化而来 ,与生物的相容性极好,又可作为 良好的环保和医用卫生材料.但是,由于生产粘胶基碳纤维的工艺流程较长 ,工艺条件苛刻 ,不适宜大批量生产 ,成本较高 ;另外, 粘胶基碳纤维的整体性能指标比 PAN基碳纤维的要差, 综合性能价格比在竞争中处于劣势 ,因此从 20 世纪 60年代以来其生产规模逐渐萎缩,目前产量已不足世界碳纤维产量的 1%.
碳纤维通常被分为小丝束和大丝束，一般将丝束数量小于24K的碳纤维称为小丝束，24K以上的为大丝束，没有绝对的标准。1K就相当于一束碳纤维中有1000根丝。
小丝束：小丝束碳纤维工艺控制要求严格，碳化等设备造价高，生产成本较高，般用于航天军工等高科技领域，以及体育用品中产品附加值较高的产品类别，主要下游产品包括飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。
大丝束：大丝束产品性能相对较低、制备成本也较低，往往应用于基础工业领域。
通常可分为三类，即以高强度为特点的高强系列碳纤维、以高模量为特点的高模量碳纤维和同时具有高模量和高强度的高模高强系列碳纤维。
碳纤维有一个强度指标，是按照拉伸强度来进行划分的等级。常见的有T300、T400、T700、T800、T1000。
普通的民营等级一般为T300即可，T700基本是民用最高等级了，T800及以上主要用于军工太空领域。
表1 不同材料性能对比表
碳纤维主要具备以下特性:
①密度小 、质量轻, 碳纤维的密度为 1.5 ～ 2 g/cm 3 , 相当于钢密度的 1/4、铝合金密度的 1/2;
②强度、弹性模量高 ,其强度比钢大 4 ～ 5倍 ,弹性回复为 100%;
③热膨胀系数小 ,导热率随温度升高而下降,耐骤冷 、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不 会炸裂 ;
④摩擦系数小 ,并具有润滑性;
⑤导电性好 , 25℃时高模量碳纤维的比电阻为 775μΨ/cm,高强 度碳纤维则为 1500μΨ/cm;
⑥耐高温和低温性好, 在 3000℃非氧化气氛下不熔化 、不软化, 在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;
⑦耐酸性好 ,对酸呈惰性 ,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀.除此之外 ,碳纤维还具有耐油、抗辐射 、抗放射 、吸收有毒气体和使中子减速等特性 .
碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺 ,但无论用哪种材料, 碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向。
构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格，由层晶格组成层平面 .在层平面内的碳原子以强的共价键相连, 其键长为 0.1421nm;在层平面之间则由弱的范德华力相连 ,层间距在0.3360～0.3440 nm之间 ;层与层之间碳原子没有规则的固定位置 ,因而层片边缘参差不齐 .处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同 .层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高 ,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称, 具有不成对电子 ,活性比较高 .因此, 碳纤维的表面活性与处于边缘 位置的碳原子数目有关。
在碳纤维的形成过程中，由于原丝在碳化的过程中会有大量的元素与各种气体（如CO、CO2、H2O、NH3、H2、N2）形成逸出，其表面和内部就会形成各种微小的缺陷和空穴，这些缺陷和空穴的存在将对碳纤维的强度产生很大的影响，绝大多数纤维断裂是发生在缺陷或裂纹的地方。
碳纤维行业在国际市场上，日本处于绝对的优势，日本东丽公司就垄断了波音公司碳纤维的供应。此外还有东邦、三菱，这些公司在碳纤维主要品种丙烯晴基碳纤维的全球销量占有率达到50%以上。近年来，受到新冠肺炎疫情和进口限制的影响，国内碳纤维行业呈现出繁荣的景象，市场强劲增长。
| 国产T700 | 国产T800 | 东丽T700 |
| 表面相对粗糙，有颗粒依附，沟槽结构多，粗糙度较高 | 表面较为光滑，沟槽结构浅而细，凸 起结构较少，产品性能较稳定 | 号表面光滑，无明显沟槽结构，凸起结构少，拉伸模量高 |
| 界面剪切强度与层间剪切强度相对较高，与进口碳纤维的力学特性不相上下 | 维界面剪切强度、拉伸强度相对较高，其具有良好的力学性能 | 表面石墨化程度高，碳纤维排布有序度高，提高了碳纤维的 拉伸模 量 |
| 产品价格低于进口碳纤维 | 碳纤维界面剪切强度高，力 学 性 能 优 越 |
PCM 工艺是将经过冲压的碳纤维复合材料（ CFＲP ）半成品放入模具中采用轮廓扫描喷射固化的工艺而成 型。PCM 成型工艺流程首先需设计铸型，并通过三维计算机处理得到铸型的三维模型，由其数据转换得到分层的模样截面轮廓数据，生成控制信息。然后在PCM快速成型机上控制树脂喷头向芯砂表面均匀施洒树脂，完成一层后预热加速模型固 化。
PCM 成 型 工 艺 不仅具有大幅缩减成型时间、提高 生 产 效 率、节 省 生 产 成 本、提高产品稳定性等优势，而且具有尺寸精度高、表面光洁度好、易于实现复杂结构件一次成型的特点。同时，由于 纤维在产品中具有良好的取向性，产品的强度和刚度都比较高。如今 PCM 成型工艺在车用 CFＲP 中占有重要地位。
ＲTM 工艺通过将低黏度树脂于一定压力下注胶，在密闭 模具中低压固化成型得到结构复杂的复合材料。ＲTM 成型工艺流程首先针对不同需求设计碳纤维的排布，将碳纤维铺入模具闭合，再注入树脂使其浸润，待树脂固化后开模取出成品。
ＲTM 相较于传统成型方法，在制作流程方面更加简易且便于控制，生产效率更高，模具成本低; 所得产品的表面光滑平整、外型精度高。如今 ＲTM 工艺由于其优良特点已被广 泛应用于航空航天、汽车制造等多个行业。
SMC 是由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡制成，两边覆盖聚乙烯薄膜，它属于预浸料的范围。SMC 模压复合材料除了具有较强的耐腐蚀性，同时兼具密度小、强度高、易加工、 耐热性高、成本低等众多优越特性。
SMC 适用于大批量生产和截面变化小的薄壁产品的生产，在玻璃钢汽车零部件生产领域得到了广泛的应用。
国内对于碳纤维的主要应用领域需求如下图所示：
在航空发动机的制造中，钛合金的应用在很大程度上减少了发动机的重量，但是作为金属来说有一个严重的问题就是金属都有疲劳问题，如果金属内部收到足够大的力且作用时间较长就会发生微裂纹，发展到后面是整个材料都裂开产生安全危害，相比于金属材料，碳纤维并没有疲劳强度的概念，同时还具有密度小，强度高，抗疲劳能力强的特性，被用来制造火箭的燃料储藏罐，飞机的外壳等，现在先进民用客机制造中，碳纤维使用比例超过了50%。此外，卫星航天器领域中，PAN基高模量碳纤维应用更广泛，可用于反射器和天线、太阳能电池板，吊杆以及部分精密结构。
碳纤维在新能源领域有广泛的应用，减轻汽车的质量可以减少二氧化碳的排放量，因此汽车轻量化是一种重要的节能方法。
新能源汽车最大的问题就是续航能力，碳纤维电池箱体能够有效降低箱体的重量，与传统的电池箱体相比能够减少近40%的重量。
很多赛车以及高性能的汽车上应用的多为碳纤维汽车座椅，其具有耐冲击、耐腐蚀、强度高、良好的减震性能的优势，提高安全系数。
还有吸能盒中碳纤维材料的应用，能够降低自重同时提升车辆的吸能效果。
碳纤维材料用于体育器材的优势有很多，比如质量轻，良好的力学性能，安全卫生性高。一般而言除了特殊的体育项目要求重量，平时我们常用的体育用品用起来轻巧的话，越容易发挥出较好的水平，比如网球拍、球杆、自行车、滑雪板等，此外还有一些靠人力以外的动力进行运动的器材，如赛车、轮船等，也是质量轻了会更容易操控。
2020 年开始国内的碳纤维压力容器发展红火，相关的碳纤维供不应求。高压氢气瓶的核心技术在于塑料内胆及碳纤维缠绕，主要成本取决于碳纤维的成本。
碳纤维复合材料在基础设施的应用中包含：既有建筑及桥梁结构的加固补强、管廊设施的维修养护、新建建筑的部分构件、桥梁缆索、桥面板等。上述应用市场中，有 80%~90% 的碳纤维用于建筑桥梁的补强。加固类碳纤维制品主要包括碳纤维布、碳纤维网格、碳纤维板以及碳纤维筋。
碳纤维材料的应用非常广泛，除了上述三种领域外，在电子电器、船舶、电缆芯、轨道交通等领域也十分常见。在“碳达峰，碳中和”的目标下，各种类型的碳纤维功能材料层出不群，国内碳纤维产业发展火热，在技术上我们也已经突破了千吨级碳纤维产业化技术，初步形成了规模化的产业集群，在各类轻质化需求下碳纤维复合材料的发展将呈现出更加多元化的趋势，未来对于功能性材料性能的提升改善、材料成本的下降和回收利用率材料的增加都会是碳纤维材料的发光之处。
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原文始发于微信公众号（材易通）：一文了解黑色黄金---碳纤维
