碳纤维
碳纤维，指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。耐高温居所有化纤之首。用腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成，是制造航天航空等高技术器材的优良材料。
一、碳纤维的特点
1、高强度与高模量
碳纤维具有极高的比强度(强度与重量之比)和比模量(模量与重量之比)。其抗拉强度可达到3500MPa以上，部分高性能碳纤维甚至超过4000MPa，弹性模量通常在200GPa到400GPa之间，是钢的数倍，而密度仅为钢的1/5左右。这种特性使其在航空航天、汽车制造等领域具有显著优势。
2、轻质性
碳纤维的密度仅为1.5到2.0克每立方厘米，远低于金属材料。这种低密度特性使其成为轻量化设计的理想材料，在需要减轻重量的应用中表现突出。
3、耐腐蚀性
碳纤维对多数酸、碱和有机溶剂具有良好的耐腐蚀性，能够在恶劣的化学环境中长期保持性能稳定，适用于海洋工程、化工等领域。
4、热稳定性
碳纤维在非氧化环境下可承受高达2000°C的温度，长期使用温度可达2000℃以上。其热膨胀系数较低，能够在温度变化较大的环境中保持尺寸稳定性，适用于航空航天、电子等高温应用场景。
5、导电与导热性
碳纤维具有良好的导电性和导热性，导热系数一般在0.025-0.09卡/厘米·秒·℃，电阻率在0.8-1.6×10^-3Ω·厘米，适用于需要电磁屏蔽或散热的电子设备。
6、各向异性
碳纤维的力学性能具有显著的各向异性，沿纤维轴方向的强度和模量远高于垂直于纤维轴的方向。这种特性使其在复合材料中能够通过合理的铺层设计最大化性能优势。
7、抗疲劳性能优异
碳纤维复合材料经过应力疲劳数百万次的循环试验后，强度保留率仍有60%，远高于钢材和铝材，适用于需要长期承受交变载荷的场合。
二、碳纤维的用途
1、航空航天领域
碳纤维是现代宇航工业的关键材料，广泛应用于导弹、卫星、空间站、运载火箭等航天器的结构部件。例如，碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)被用于制造弹体整流罩、卫星承力筒、火箭箭体整流罩等，能够显著减轻重量，提高燃料效率和飞行性能。
2、汽车制造领域
碳纤维在汽车制造中用于制造车身、底盘、内饰等部件，能够有效减轻汽车重量，提高燃油效率和行驶性能。随着新能源汽车的兴起，碳纤维在轻量化设计中的应用前景更加广阔。
3、体育器材领域
碳纤维被广泛应用于高尔夫球杆、网球拍、自行车、羽毛球拍等高端运动器材。其轻量化和高强度特性使器材更加灵活轻便，提高了运动员的表现和竞争力。
4、风电能源领域
碳纤维用于制造风力发电机叶片，能够显著减轻叶片重量，提高发电效率，同时降低维护成本。
5、建筑领域
碳纤维用于桥梁、高楼等结构的加固和修复，能够提高结构的承载能力和抗震性能。此外，碳纤维还可用于制造轻质、高强度的建筑构件，如墙体、屋顶等。
6、轨道交通领域
碳纤维在列车车身和内部构件的制造中应用广泛，能够显著减轻列车重量，提高运行速度和能效。
7、电子设备领域
碳纤维因其良好的导电性和电磁屏蔽性能，被用于笔记本电脑外壳、手机框架等电子设备的制造，能够提高设备强度和散热性能，同时减少电磁辐射。
8、医疗领域
碳纤维用于制造手术器械、担架、假肢和矫形器等医疗器械，能够减轻重量，方便操作和运输，同时提供更好的强度和舒适度。
9、能源领域
碳纤维在风力发电和太阳能发电中用于制造叶片和支撑结构，增强其稳定性和耐久性。此外，碳纤维还可用于燃料电池、电力电缆等能源设备。
10、工业机械领域
碳纤维用于高精度工业机械部件的制造，能够提高设备的精度和稳定性，适用于需要高强度和轻量化的工业场景。
1、原丝制备：是整个流程中的关键环节，分为聚合、纺丝、后处理三步。以聚丙烯腈(PAN)为例，先将丙烯腈单体经过聚合得到纺丝原液，再将原液经过纺丝形成纤维原丝。纺丝工艺分为湿法纺丝、干法纺丝和干喷湿纺，目前使用较为广泛的是湿法纺丝和干喷湿纺。湿法纺丝更适合大丝束原丝生产，干喷湿纺更适合小丝束原丝生产。
2、预氧化：把原丝整理后送入氧化炉，在空气的气氛下制得预氧化纤维(俗称预氧丝)。例如聚丙烯腈纤维需在200 - 300℃进行预氧化，沥青纤维在200 - 400℃进行不融化处理，粘胶纤维在240℃进行热处理，以得到耐热和不熔的纤维，酚醛基碳纤维无此工序。
3、碳化：在惰性气体氛围中进一步升温至1000 - 2000℃，原丝中的非碳元素逐渐挥发，剩余碳原子重新排列，形成石墨微晶结构。具体温度因原料不同而有所差异，聚丙烯腈纤维为1000 - 1500℃，沥青为1500 - 1700℃，粘胶纤维为400 - 2000℃。
4、石墨化：进一步提升纤维性能，聚丙烯腈纤维需加热至2500 - 3000℃，沥青为2500 - 2800℃，粘胶纤维为3000 - 3200℃。
5、表面处理：进行气相或液相氧化等，赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲和性。
6、上浆处理：防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性，所得纤维具有各种不同的断面结构。
