碳纤维全面介绍
碳纤维全面介绍
碳纤维是由有机纤维经碳化工艺得到的丝状碳材料，直径为5-10微米，是目前可量产的高性能纤维中比强度、比模量最高的纤维，广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶及车辆、新能源等领域。
什么是碳纤维？
碳纤维（CF）是由聚丙烯腈（或沥青、粘胶）等有机纤维在高温环境下热解碳化形成的具有碳主链结构的含碳量在90%以上的无机纤维。
碳纤维具有密度低、强度高、耐高温、化学稳定性高、耐疲劳、耐摩擦等优良的物理和化学性能。
碳纤维增强先进复合材料，例如碳纤维布，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小等优异性能。
碳纤维的结构
其结构取决于前驱体结构和碳化工艺，无论使用何种材料，碳纤维中的碳原子总是与纤维轴平行排列。
该结构的基本元素是六边形碳原子层晶格，形成层平面，层平面内碳原子通过强共价键连接，键长为0.1421nm。层间以弱范德华力连接，层间距为0.3360~0.3440nm，层间碳原子无规则的固定位置。
在生产过程中，由于原丝在碳化过程中会逸出大量元素和各种气体（如CO、CO2、H2O、NH3、H2、N2等），导致其表面和内部形成各种细小的缺陷和空隙，这些缺陷和空隙对强度影响很大，绝大多数纤维断裂都发生在缺陷或裂纹处。
碳纤维种类
按原材料
主要分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维三大类，其中PAN基碳纤维为主流，占全球产量的90%以上。
|聚丙烯腈（PAN）基碳纤维是由聚丙烯腈经纺丝、预氧化、碳化等工序而成，具有强度高、刚度大、重量轻、耐高温、耐腐蚀、电气性能优良、抗压、抗弯能力强等特点，目前PAN基碳纤维仍是全球市场的主流。
| 沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料，经沥青精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化等工序制成的。沥青基碳纤维的原料成本较PAN基碳纤维低，但由于生产工艺复杂，导致其生产成本大幅增加。
此外其压缩强度相对较低，后加工性能不如PAN基碳纤维，因此其生产规模和应用领域受到一定限制。但由于其具有优异的传热、导电性能以及极低的热膨胀系数，沥青基材料在需要这些性能的军事和航空航天领域仍然发挥着独特的作用。
| 粘胶基碳纤维是由以纤维素为主的粘胶纤维经脱水、热解、再碳化而得。粘胶基碳纤维三维石墨结构不发达，导热系数小。同时，它来源于天然纤维素木材或棉绒，具有优良的生物相容性，也可作为良好的环保和医疗卫生材料。
但生产流程较长，工艺条件严格，不适宜大规模生产，导致成本较高。另外，粘胶基碳纤维的各项性能指标总体比PAN基碳纤维差，综合性价比在竞争中处于劣势，目前占全球碳纤维产量的不到1%。
按丝束尺寸
PAN基碳纤维按束规格可分为小丝束和大丝束两类：
| 小拖带：碳纤维束规格在24K以下，束中单丝根数在1,000~24,000根之间。小丝束碳纤维工艺控制要求严格，碳化等设备成本较高，生产成本较高。主要用于国防军事等高科技领域，以及飞机、导弹、火箭、卫星等领域。
| 大型拖曳：束规格达到或超过48K，束中单丝根数超过48,000根，包括48K、60K、80K等。大丝束产品相对性能指标较低，生产成本也较低，主要应用于工业领域，包括纺织、交通、能源等领域。
该束中的单纤数量超过48000根。
按碳纤维性能特点
通常可分为三类：以高强度为特点的高强度系列、以高模量为特点的高模量系列、兼具高模量与高强度的高模量高强度系列。
碳纤维的特性
| 密度低、重量轻，密度为1.5-2g/cm³，相当于钢密度的1/4，铝合金密度的1/2。
| 高强度和弹性模量，强度是钢材的4-5倍，弹性恢复率100%；
| 低热膨胀系数、热导率随温度升高而下降，耐骤冷骤热，即使从几千摄氏度骤冷至室温也不会破裂；
| 导电性良好，775℃时高模量系列的比电阻为1500μΨ/cm，高强度系列的比电阻为25μΨ/cm；
| 耐高低温性能好在3000℃非氧化气氛中不熔化、不软化，在液氮温度下仍能保持柔韧性而不脆化；
| 耐酸性好，对酸呈惰性，耐浓盐酸、磷酸、硫酸等，此外，还具有耐油、耐辐射、吸收有毒气体、对中子慢化等特性。
碳纤维的等级
碳纤维牌号的命名蕴含了其性能和应用的关键信息。碳纤维的牌号众多，每种都有其独特的性能特点和应用场景。
T系列，如T300等。“T”通常代表“抗拉强度”。
| T300碳纤维其中该等级中的“300”并非是一个简单的数字，而是代表了一个特定的性能等级。T300具有中等强度和模量，其命名体现了其在碳纤维发展史上的相对定位，由于其性能相对均衡，成本适中，被广泛应用于工业领域。在中低端自行车车架等通用机械部件和运动器材中，可以满足基本的强度和性能要求，为产品提供一定的轻量化优势。
| T700碳纤维性能实现了大幅飞跃，数字“700”意味着强度较T300有大幅提升，强度的提升使得T700在汽车行业得到广泛应用。在汽车追求轻量化、提高燃油效率和性能的今天，采用T700制成的汽车零部件，如部分车架结构、发动机部件等，在承受复杂工作应力的同时，可以大幅减轻重量，大大提高汽车整体性能和可靠性。
| T800碳纤维作为高性能的代表，T800以“800”明确表明了其在强度方面的优异表现。在材料要求近乎苛刻的航空航天领域，TXNUMX凭借超高的强度、优异的模量、良好的热稳定性，成为制造机翼主要受力部位、航天器结构部件等飞机关键结构部件的理想选择。它的命名准确传达了其在高强度碳纤维中的高端定位。
M系列，例如M40、M55等。“M”通常代表“模量”。
| M40****碳纤维其中“40”代表其模量高低。高模量的特性使其在对尺寸稳定性和精度要求极高的领域发挥着重要作用。例如在卫星天线结构、高端光学仪器支撑部件中，M40可在复杂环境下保证精确的形状和位置保持，确保设备正常运行。
| M55碳纤维，其中命名中的“55”进一步体现了更高的模量水平。同时，M55还具有优异的耐高温性能，这使其在一些高温、高精度的工业应用中表现出色，例如航空发动机的一些关键部件，M55在极端条件下仍能保持良好的性能和尺寸稳定性。
如何选择合适的碳纤维？
在实际应用中，选择合适的碳纤维至关重要。这需要综合考虑产品的使用环境、性能要求、成本预算等因素。
例如在运动装备领域，如果追求高性能和高端品质，那么顶级竞赛自行车或高尔夫球杆可能选用T800或M系列碳纤维，满足运动员对装备轻量化、高强度的极致要求；而对于一些量产的消费品，比如普通自行车或一般运动装备，T300或T700或许能实现性能与成本的更好平衡。
碳纤维的应用
| 航空航天：在航空发动机制造中，钛合金的应用大大减轻了发动机的重量，但作为金属，存在着严重的疲劳问题。金属如果长时间受到足够大的力，就会产生微裂纹，当整个材料开裂时会发展成为安全隐患。碳复合材料相对于金属材料，没有疲劳强度的概念，同时还具有密度小、强度高、抗疲劳能力强的特点，用于制造火箭燃料储罐、飞机壳体等。在先进民用飞机制造中，碳纤维使用比例已经超过50%。
| 汽车：在新能源领域应用广泛，减轻汽车自重可以减少二氧化碳的排放，所以汽车轻量化是节能的重要手段，电池盒与传统电池盒相比，可有效减重近40%。
很多赛车、高性能车都采用碳纤维车座，具有耐冲击、耐腐蚀、强度高、减震性能好等优点。
| 体育：它们用于运动器材时具有诸多优势，如重量轻、机械性能好等。轻质的运动器材有助于使用者发挥出更好的表现，如网球拍、高尔夫球杆、自行车、滑雪板等。此外，一些以人力以外的动力移动的器材，如赛车、船艇，重量越轻，也越容易控制。
常见问题
特定模量的含义是什么？
比模量是单位密度的弹性模量。它是材料承载能力的重要指标。比模量越高，部件的刚性越大。
特定力量的含义是什么？
比强度是材料强度与表观密度之比，比强度越高，达到相应强度所需的材料越轻，优质的结构材料应具有较高的比强度，以满足强度要求。
随着科技的不断进步和应用需求的日益多样化，碳纤维的研发不断创新，碳纤维性能不断提高，应用领域不断扩大。
从航空航天、汽车、体育等传统领域到能源、医疗、电子等新兴行业，它正以其独特的性能优势改变着我们的生活。