更便宜、更强、更轻：碳纤维的前沿

这听起来可能令人惊讶，但人类创造的最坚固的材料不是来自金属，而是来自碳，与构成铅笔尖的材料相同。当然，很多技术都用于将其转化为具有如此巨大强度的材料，但事实仍然存在；我们星球上最普遍的元素可用于制造具有如此独特特性的材料。

什么是碳纤维？

通常，术语“碳纤维”是指直径在 5-10 微米之间的芳香碳聚合物链。芳香碳分子被加热并沿轴键合成结晶结构，形成具有显着机械和热性能的纤维。

碳纤维的特性是什么？

当拿着由碳纤维制成的东西时，最容易识别的特征是它的重量轻。碳的密度是铝的一半，是钢的五分之一 。碳纤维复合材料还可以加工并用于制造专用零件，在许多情况下使其成为金属的有吸引力的替代品，因为它可以在不牺牲机械性能的情况下减轻重量。

通过机械测试，可以真正体会到材料的可观强度。碳纤维具有高刚度、高抗拉强度和高杨氏模量，再加上其重量轻，强度重量比是其他材料无法比拟的 。此外，碳纤维具有优异的热性能；它具有高温耐受性，表现出低热膨胀，并且是热的不良导体（使其成为有效的绝缘体）。

碳纤维是如何制成的？

尽管工业碳纤维生产的具体参数因工艺而异，但每个工艺都具有将芳烃转化为纤维的相同总体方案。这一切都始于富含碳的聚合物前体材料。最常用的前体是聚丙烯腈 (PAN)，这是一种从油中提取的合成聚合物树脂，但也可以使用人造丝（再生纤维素纤维）和石油沥青。

第一步是将前体纺成纤维；在制造方面，纺丝是指通过称为喷丝板的专用设备挤出聚合物的过程。纺丝方法有很多种（例如湿纺、干纺、熔纺、静电纺），每种方法的具体纤维形成机制不同，应根据所使用的前体和最终用途进行选择纤维。

纺丝后，纤维进入稳定阶段，该阶段在温和的温度下发生，导致多根碳纤维相互交联。随后是碳化阶段，该阶段发生在高温（300-1200°C）下，并导致纤维中存在的许多不希望的非碳元素的释放。

根据所需的碳类别，可能会有一个额外的石墨化阶段，该阶段发生在高达 2800°C 的温度下，并释放出碳化后残留的顽固非碳元素。

我们用碳纤维做什么？

一旦碳纤维被纺成并稳定下来，它的潜在应用是广泛而多样的。长丝可以直接编织成纺织品，也可以与树脂混合制成复合材料。碳纤维的主要消费者是航空航天、风能和汽车行业，以及小批量、高价值产品的利基市场，如高性能体育用品（例如自行车、网球拍、曲棍球棒）。

目前，PAN 前驱体的高成本限制了碳纤维在特种产品上的应用，在这些产品中，高机械性能和低重量比总成本更重要。下一个有望实现爆炸性增长的碳纤维市场是汽车复合材料领域，其高强度使其可用作提高燃油经济性的钢材替代品（由于重量显着减轻）。

然而，随着工艺工程技术的改进并允许更便宜和更快的生产，预计碳纤维的消费量将增加，预计市场将扩大到包括以前由于前体和生产成本而无法实现的低价值产品。

我们怎样才能让碳纤维更便宜？

考虑到 PAN 的高成本，正在进行大量研究以寻找更便宜的芳族聚合物前体来源。一个有希望的选择是使用木质素，这是一种在树木中发现的天然存在的芳香族化合物。这种生物聚合物目前被纸浆和造纸工业大量加工，但基本上被当作废品处理。

造纸过程从木材中去除木质素，但造纸厂没有将其用作高价值的芳烃流，而是将其燃烧以产生操作所需的工艺能量。一些造纸厂已经开始分离出一部分木质素而不是燃烧它，从而创造出一种廉价、可再生的生物聚合物流，可以纺成纤维。

木质素衍生的芳烃比石油衍生的 PAN 芳烃更异质，因此许多研究的重点是对木质素生物聚合物进行化学改性，以提高其可加工性并增加其元素和官能团的均匀性（从而使纤维具有更好的热和机械性能)。

我们怎样才能让它更坚固更轻？

代替使用传统的聚合物基体来形成碳复合材料，也可以使用金属基体。由于其具有进一步化学反应和腐蚀的潜力，金属基复合材料 (MMC) 通常会进行涂层以保持稳定，这会导致生产成本增加。然而，对于某些应用，例如在航空航天和飞机技术中，改进的性能和性能弥补了额外的生产成本。

相对于传统的聚合物基碳纤维复合材料，MMC 在更高的温度下是稳定的，表现出更高的导电性和 导热性 并且耐辐射 。碳纳米管或碳​​的同素异形体具有圆柱形纳米结构和极高的长径比（即 132,000,000:1），已被证明是聚合物基和金属基复合材料的有前途的涂层，因为它们可以减少可能由风化和紫外线照射引起的纤维降解 [11]。

石墨烯是一种碳同素异形体，由以六方晶格排列的单层碳原子组成，这使得材料具有非凡的性能。因此，它可以被认为是一种单原子厚度的碳纤维。它的强度大约是钢的 200 倍，但重量却非常轻且灵活。它具有高导电性，但同时几乎是透明的。

石墨烯的一个特别有趣的特性是它能够存储电荷。为了生产可用于微型电路的薄膜超级电容器，需要一种像石墨烯这样具有高表面积体积比的材料来有效地存储和快速传递电荷。石墨烯的发展可能会促使人们从传统的电池技术转向将超级电容器纳入现代电子产品中。最终，正如石墨烯所证明的那样，在加工碳纤维上投入的时间和精力越多，纤维的性能就越令人印象深刻。

最后的想法

由于其材料特性和已经建立的市场，碳 纤维有望继续在构建未来材料中发挥作用。PAN前体的成本目前占碳纤维制造成本的一半；如果可以开发出廉价的前体，碳纤维的应用可以超越当前的特种产品市场，进入更广泛的应用 。

随着纳米技术的进步并允许对纤维生产的各个方面进行更多控制，我们将能够制造出比已经制造出的具有更专业特性的碳纤维。随着碳纳米管和石墨烯的最新发展，碳纤维的前沿才刚刚开始被理解。