碳纤维是一种复合材料，强度是钢的 5 倍，但重量比铝轻。它被用于航空航天技术、一级方程式赛车、体育用品，甚至医疗应用。它由非常细的碳纤维束制成，这些碳纤维在化学过程中粘合在一起形成可以编织成纤维的纱线。这种纤维与环氧树脂结合在一起，几乎可以模塑成您能想象到的任何东西。
碳纤维的应用
碳纤维于 1958 年在俄亥俄州克莱夫兰附近首次发明，但直到 1963 年英国研究中心开发了一种新的制造工艺，这种惊人的复合材料的真正潜力才得以实现。从那时起，它在众多应用中获得了广泛的普及。以下是最受欢迎的 4 种。1. 航空航天 – 鉴于碳纤维的重量轻和刚性强度，碳纤维的使用在航空航天市场上呈指数级增长。它用于商用飞机发动机、军用防御飞机、直升机，甚至美国宇航局的航天飞机。2. 汽车 – 汽车市场正在迅速以多种形式使用碳纤维进行设计和性能。一些异国情调的汽车制造商将碳纤维用于汽车的整个外壳和底盘，但由于成本高昂，大多数应用都用于特定部件，例如发动机零件、车身面板和内饰件。3. 体育用品 – 为了通过使用阻力较小的轻质材料来获得快速移动的优势，碳纤维已成为体育用品中使用的传统材料的流行替代品。从网球拍、自行车、射箭、滑翔机、冲浪板，甚至跑鞋中的减震器，现在都由这种神奇的复合材料制成。4. 医疗设备 – 碳纤维是射线可透的，这意味着它对 X 射线和其他成像设备是透明的。这使其成为放射室地板、桌子和扫描仪盖等医疗设备的理想复合材料。碳纤维还为矫形外科嵌件和假肢部件提供耐用、轻便的支撑。
原材料
用于制造碳纤维的材料是有机聚合物，它们由碳原子键合在一起的长串分子组成。90%的纤维由聚丙烯腈或PAN制成，其余10%由人造丝或石油沥青制成。用于制造碳纤维的原材料称为前驱体。前驱体被拉成很长的纤维，并在无氧环境中加热到非常高的温度，以防止纤维燃烧。极端温度导致纤维内部的原子剧烈振动，直到几乎所有的非碳原子都被排出。
制造工艺
生产原材料后，制造过程通常有 5 个步骤。1.纺丝——原料与丙烯腈塑料粉混合，纺成纤维。然后对这些纤维进行清洗和拉伸，以帮助分子在纤维内对齐。2. 稳定 – 纤维现在被化学改变，以掩盖它们的线性原子键合到更稳定的状态。3. 碳化 – 稳定的纤维现在被加热到高达 5,500 华氏度的温度，以便纤维形成紧密结合的碳晶体。4. 处理表面 – 然后对纤维表面进行氧化，使其与环氧树脂和其他材料具有更好的粘合性能。5. 上浆 – 然后将新涂层的纤维缠绕在称为线轴的圆柱体上，并装入纺纱机，将它们捻成不同尺寸的纱线。然后，通过在模具中加入编织碳纤维布和树脂层，将纤维形成复合材料。然后在真空中加压加热模具，直到纤维粘合成所需的形状。
碳纤维的未来
也许碳纤维在未来技术中可能发挥的最重要作用是大规模生产节能汽车。随着石油价格的上涨和大气中温室气体的负面影响，汽车制造商面临着生产更省油的汽车的压力。用碳纤维代替重型钢制车身将大大减少普通消费者消耗的燃料量。我们面临的唯一挫折是碳纤维的生产成本比钢铁高得多，制造碳纤维的整个过程既费时又困难;然而，丰田和通用汽车等主要汽车制造公司正在大力投资在生产中使用碳纤维，以帮助降低油耗。无论大规模的碳纤维汽车是否会成为现实，这种神奇的复合材料总会有实际应用。碳纤维市场的增长速度比以往任何时候都快，而且没有迹象表明它会很快停止。
