有一种材料，不但能用在航天设备和飞机上，也能用来制作钓鱼竿和羽毛球拍 。可以说是上得了天，下得了地的全能型材料 。它就是碳纤维复合材料，那么碳纤维是怎么来的，它厉害在哪里，我国是否已经具备高端碳纤维的能力了呢?
碳纤维复合材料
碳纤维的出现离不开爱迪生

文章插图
说到碳纤维材料的起源，就不得不提到大家都熟悉的一个人，爱迪生 。1880年，爱迪生首次用绵、麻、竹等天然植物纤维炭化后得到了碳纤维，并将碳纤维作为灯丝用在了白炽灯上，但是棉麻这些材料气孔多，脆性大，而且容易氧化 。1909年，将碳纤维在惰性气体中加热到2300℃以上后，获得了最早的石墨纤维 。直到1910年钨丝出现，成功运用于白炽灯灯丝中后，碳纤维的研究就停滞了 。
1950年，美国联合碳化公司首次用人造丝作原料研制碳纤维 。1959年，日本大阪工业试验所首次用丙烯腈作为原材料制得碳纤维 。5年后，日本碳公司和东丽公司成功实现碳纤维产业化，从此成为了丙烯腈基碳纤维技术的领导者 。1970年，美国联合碳化物公司与日本东丽公司达成合作协议，联合碳化物公司用碳化技术交换东丽公司的丙烯腈原丝技术，从此美国与日本都站在了碳纤维技术的前沿 。到今天，美国联合碳化公司和日本东丽公司已经成为了世界上首屈一指的碳纤维研制生产公司 。
日本东丽公司
碳纤维有多难造?
碳纤维主要由碳原子构成，含碳量在90%-95%，是一种无机高分子纤维，有三种材料能够成为制作碳纤维的原料 。聚丙烯腈(PAN)、沥青和粘胶，其中PAN原丝所制得的碳纤维性能最好，其次是沥青，沥青碳含量高，导电导热性能优秀，而且价格低廉，也是一种优异的碳材料 。碳纤维通常与树脂等材料结合形成复合材料，这样得到的材料比不锈钢轻50%，比铝合金轻30%，强度比玻璃纤维复合材料更高 。
碳纤维与头发丝的对比，黑色为碳纤维
碳纤维直径约为5~10微米，而一根头发丝的直径约为40~50微米 。所以碳纤维材料的制造工艺会十分复杂，涉及到化工、纺织、材料、精密机械等领域 。好的碳纤维所有部分的强度、尺寸和性能都需要均匀，达到标准 。稍有不慎就会影响稳定性，所以在原丝、设备、制作工艺上都有相当高的标准 。
碳纤维涉及的领域
1.航空航天工业
碳纤维在航空航天领域的需求非常大，主要因为它的两个优点：密度小、抗拉强度高 。从前被广泛使用在航空发动机上的钛合金就是因为轻质、强度高 。钛合金的密度一般在4500kg/m3，而碳纤维的密度一般在1400~2000kg/m3，即使经过环氧树脂强化后密度也不会超过1600kg/m3，远比钛合金材料轻 。除此之外，碳纤维抗拉强度极高，想要拉断高强度的碳纤维材料需要用更多的力，大概要用拉断同样横截面积钢铁力量的2-4倍 。所以碳纤维材料也没有金属材料那样容易产生疲劳的问题 。金属疲劳后材料会产生裂纹，长时间作用力后整个材料都会裂开 。所以碳纤维材料最适合作为航空设备制造材料 。
全世界大部分现有的先进民用客机，都是使用碳纤维作为飞机外壳 。比如美国波音公司的波音787，这款飞机是第一款以碳纤维复合材料为主体材料的民用客机，它的机体结构有50%用的都是碳纤维复合材料 。使得波音787可以节省维护费用，而且机体更轻更省油 。
【碳纤维是什么 碳纤维是什么材料】波音787材料分析图
2.汽车制造业
宝马已经开始将复合碳纤维材料运用在小型车外壳上，进行车身材料轻量化，追求节能减排 。但是这种材料的一个致命缺点让它只能运用于高端车辆的外壳 。碳纤维复合材料的可塑性低，如果损坏只能进行整体更换，而且碳纤维价格高，一旦出事故一辆车基本就报废了，即使能够修复也需要高昂的成本 。所以在汽车制造业，碳纤维材料深受超跑产商和F1赛车产商的青睐 。碳纤维能很好的减轻车身重量，提升车速，最重要的是，买超跑和赛车的人也不差钱，承受得起车体损坏的维修更换费用 。

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