碳纤维丝束
碳纤维（Carbon fiber）是一种直径约为5到10微米的纤维，主要由碳原子组成。碳纤维具有几个优点：高刚度、高抗拉强度、高强度重量比、高化学耐受性、高温耐受性和低热膨胀。这些特性使碳纤维在航空航天、土木工程、军事、赛车和各种竞技运动器材中非常受欢迎。然而，与玻璃纤维、玄武岩纤维或塑料纤维等类似纤维相比，碳纤维的价格相对较高。
F1方程式赛车上的碳纤维部件
为了生产碳纤维，碳原子以晶体的形式结合在一起，这些晶体与纤维的长轴平行排列，这种排列方式赋予碳纤维较高的强度与体积比，其抗拉强度能达到钢材的5-10倍，但密度仅有钢的1/4。数千根碳纤维丝集束在一起形成碳纤维束，可以单独使用或编织成碳纤维布。
碳纤维通常与其他材料结合制成复合材料（CFRP）。例如，当被塑料树脂浸透并加热时，形成碳纤维增强聚合物，它具有非常高的强度重量比，并且刚性极佳。碳纤维还可以与其他材料如石墨复合，形成增强的碳-碳复合材料，这些材料具有非常高的耐热性。
碳纤维的起源
ORIGIN
01
1879年爱迪生采用碳纤维制成了白炽灯的灯丝
碳纤维的历史可追溯到1860年，当时英国化学家约瑟夫·斯旺首次使用碳纤维材料用于半真空电灯的发光体。直到1960年代，具备优异物理性能和弹性模量的聚丙烯腈基碳纤维的问世，历经百年才真正推动碳纤维进入了高性能材料的商业应用舞台。
SpaceX使用碳纤维制造的巨型航天燃料箱
碳纤维进入迅速发展阶段后，在很长的一段时间，由于其优异的性能以及高昂的生产成本，一度被称为“黑色黄金”，主要用于航空航天和高档体育器材等“奢侈品”领域，普及程度极差。为扩大应用，碳纤维制造商们开始着手提升产品性能以增加需求，同时通过降低成本来拓宽市场。降低成本的方案大致分为两个方向：一是通过生产大丝束碳纤维的产品，以减少对生产设备和工艺要求的投入；二是提高生产效率，比如采用干喷湿纺工艺以提升成本效益和性能。工业级大丝束碳纤维如今广泛应用于汽车、风力发电叶片、光伏产业的晶硅熔炼炉和储氢罐等领域。
碳纤维的结构及特性
CHARACTERISTIC
02
显微镜下直径为6微米的碳纤维(上)与人类头发(下)
碳纤维通常以缠绕在线轴上的连续丝束形式供应，丝束可以方便地从线轴上解开以供使用。每一束碳纤维由数千条更微小的碳纤维丝所组成，这些碳丝由有机涂层或浆料（例如聚环氧乙烷或聚乙烯醇）保护并固定在一起，每根碳丝都是一个连续的圆柱体，直径为5-10微米，几乎完全由碳组成。最早的碳纤维产品（例如T300、HTA和AS4）的直径为16-22微米。后来的碳纤维（例如IM6或IM600）的直径约为5微米。碳纤维的密度一般为1750kg/m³。
碳纤维丝束特写
碳纤维的原子结构类似于石墨，由以正六边形图案排列的碳原子片（石墨烯片）组成，两者差别在于层与层之间的连结的方式。石墨是一种晶体材料，其中的薄片以规则的方式彼此平行堆叠，而碳纤维不是晶体结构，层间连结是不规则的，这样便能防止滑移，赋予碳纤维较高的极限拉伸强度。
碳纤维的导热能力强，同时具有耐高温的特性，理论上可以在2000℃的高温下不会融化，但往往碳纤维并不会单独使用，需要与环氧树脂等熔点相对较低的材料一起使用。
碳纤维的制造工艺
SYNTHESIS
03
聚丙烯腈 (PAN) 碳纤维的合成
全球约90%的碳纤维由聚丙烯腈（PAN）制成，其余10%由人造丝或石油沥青等聚合物制成。这些聚合物都称为前体，对于聚丙烯腈或人造丝等合成聚合物，前体首先被纺成长丝纱线，使用化学和机械工艺初步排列聚合物分子，以增强成品碳纤维的最终物理性能。不同制造商在纺长丝纱线时使用的前体成分和机械工艺可能有所不同。纺丝后通过高温加热聚合物长丝纱线以去除非碳原子（碳化），从而制成的碳纤维。
碳纤维的制造工艺
一种常见的制造方法是将纺成的聚丙烯腈长丝在空气中加热到大约300°C，这会破坏许多氢键并氧化材料。然后将氧化的聚丙烯腈放入具有惰性气体（例如氩气）的炉中，加热到大约2000°C，从而诱导材料石墨化，改变分子键结构。在正确的条件下加热时，这些链会并排结合（梯形聚合物），形成狭窄的石墨烯片，最终合并形成单个柱状细丝。结果通常是93–95%的碳。可以使用沥青或人造丝作为前体代替聚丙烯腈来制造质量较低的碳纤维。通过热处理工艺，碳可以进一步增强，成为高模量或高强度碳纤维。在1500-2000°C范围内加热（碳化）得到的碳纤维表现出更高的抗拉强度（约5650MPa），而在2500至3000°C范围内加热（石墨化）得到的碳纤维则表现出更高的弹性模量（约530GPa）。
碳纤维的应用
APPLICATION
04
碳纤维复合材料制成的汽车骨架
碳纤维材料因其优异的物理性能，常被用于制造飞机和航天部件、赛车车身、高尔夫球杆杆身、自行车框架、钓鱼竿、建筑材料、汽车部件、帆船桅杆以及许多其他需要轻量和高强度的组件。
复合材料
RC直升机的尾部，由碳纤维复合材料制成
碳纤维最显著的用途是制作增强复合材料，碳纤维增强塑料因其强度高、重量轻的特点，以及具备耐高温、防辐射、耐水和耐腐蚀的优良性能，成为制造飞行器、武器和特殊作业设备等的理想材料。然而，碳纤维材料难以自然降解，大量弃置可能会引发环境问题。近年来碳纤维材复合材料广泛应用于大型飞机的制造，如空中客车A350和A380、波音787等机型，采用碳纤维复合材料减少机身重量，以降低燃油消耗。另外大型风力发电机的叶片，赛车、汽车的车身，以及各种体育用品的碳纤维复合材料需求也在不断增加。
建筑结构加固
采用碳纤维布加固的混凝土柱、梁
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维制成的12K碳纤维布的抗拉强度能够达到3400MPa以上，远高于钢筋和混凝土等建筑材料，同时弹性模量是钢材的2倍以上，弹性变形能力强，耐腐蚀和抗疲劳性能优异，施工便捷，是一种理想的结构加固材料。
碳纤维布性能指标
用于结构加固的碳纤维布有200g/㎡和300g/㎡，对应的厚度为0.111mm和0.167mm，能够在不影响加固后使用空间和构件自重的前提下，显著增加结构承载能力和抗震性能。
微电极
碳纤维微电极(上)与人类头发对比(下)
碳纤维用于制造碳纤维微电极。在这种应用中，通常将直径为5-7μm的单根碳纤维密封在玻璃毛细管中。在毛细管的尖端，用环氧树脂密封并抛光以制成碳纤维盘状微电极，或者将碳纤维切成75-150μm的长度以制成碳纤维圆柱电极。碳纤维微电极用于电流分析或快速扫描循环伏安法以检测生物化学信号。
柔性加热
DIY碳纤维加热夹克的热成像图
尽管碳纤维以其导电性而闻名，但它们本身只能承载非常低的电流。当编织成较大的织物时，它们可用于在需要柔性电加热元件的应用中可靠地提供（红外）加热，并且可以轻松维持超过100°C的温度。这种应用的许多例子可以在DIY加热衣物和毯子中看到。由于其化学惰性，它可以在大多数织物和材料中相对安全地使用。
过滤材料
碳纤维滤芯
碳纤维经过活化之后，成为“活性碳纤维”，这种活性碳纤维材料具有大量的微孔，形成纳米空间，拥有极大的比表面积。具有出色的吸附及脱附的能力，最常见的产品即是生活上所用的口罩，这种材料还应用于各种过滤器或水质净化器中。
在未来，我们将继续致力于建筑结构加固与维护的创新研究，不断提升我们的材料品质。每一个工程项目都是对我们承诺的延续，也是对行业标准的践行。我们深信，通过努力和创新，结构加固将迎来更加可靠和持久的明天。感谢您的阅读、分享与关注！
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文章来源：加固邦
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