简介
习惯上将1000～2300℃范围内碳化得到的纤维称为碳纤维，而2300℃以上碳化得到的纤维称为石墨碳纤维（GPCF）。石墨碳纤维在结构上类似石墨，有金属光泽，导电性好，杂质少，含碳量超过98%。
分类
按力学性能可将碳纤维分成高强型（HT）、高模型（HM）和通用型（GP）等；按原料划分，碳纤维主要有纤维素（以粘胶纤维为主）基、聚丙烯腈基、沥青基及酚醛树脂基等几种；按功能分类，则有受力结构用碳纤维、活性碳纤维、导电碳纤维、耐燃碳纤维、耐磨碳纤维等。碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。它不属于有机纤维范畴，但从制法上看，又不同于普通无机纤维。
性能
碳纤维具有优异的抗张性能，模量高、强度大，抗疲劳和耐化学试剂，有很好的耐热和导热、导电性能，但其抗冲击性能较差，一般不单独使用，常作为增强材料与聚合物、金属、陶瓷等基体复合制成高性能纤维复合材料。碳纤维复合材料质地强而轻，耐高温、耐腐蚀和耐辐射，在航空航天、军事、工业、体育器材等许多方面有广泛用途。
碳纤维综合性能优异，例如：它既具有碳材料固有的特性，又兼具纺织纤维柔软可加工性；热行为有明显的各向异性，如纤维径向的热膨胀系数比轴向高数十倍，而轴向导热系数约为径向的20倍，在-190～50℃温度范围内碳纤维的导热系数随温度升高而有所增大，但当温度进一步升高时导热系数则减小；高模量（～700GPa），高强度（～7GPa）；吸能减振，对振动有优异的衰减功能（构件自振频率与比模量平方根成正比）；化学性能与碳十分相似，在室温下是惰性的，除能被强氧化剂氧化外，一般酸碱对碳纤维不起作用；在空气中，当温度高于400℃时碳纤维发生氧化反应，生成CO2和CO并从纤维表面逸出，但惰性气氛中碳纤维的耐热性十分突出，在1500℃以上强度才开始降低；自润滑性好、耐磨损、导电、不蓄热、非磁性、吸附性强、不生锈、耐辐射、屏蔽电磁波、X-射线透过性好、生物相容性好等。
结构
虽然金刚石和石墨都是由碳原子形成的，但它们的结晶结构不同，物理性质有很大差别。金刚石是典型的三维有序结构材料。在金刚石结晶中，每个碳原子与周围相邻的4个碳原子以共价键形式相互连接，构成一种坚实的正四面体结构。石墨结晶具有层状结构特点，是典型的二维有序材料。在石墨结晶中，每一层面内，每个碳原子与其相邻的3个碳原子以共价键形式相结合，构成平面网状结构，而层与层之间则通过范德华力相连接，因此石墨层片间容易滑移，质地较软。
碳纤维并不具备理想的石墨点阵结构，属于乱层石墨结构，在WAXD和SAXS图上观察不到通常单轴取向结晶性合成纤维材料的那种结晶取向衍射点或斑以及两相结构所特有的散射斑即长周期。在乱层石墨结构中，石墨层片是基本的结构单元，若干层片组成微晶，微晶堆砌成直径数十纳米、长度数百纳米的原纤，原纤则构成碳纤维单丝，其直径约数微米。实测碳纤维石墨层的面间距约0.339～0.342nm，比石墨晶体的层面间距（0.335nm）略大，各平行层面间的碳原子排列也不如石墨那样规整。
假设每根碳纤维单丝均为一定直径的圆柱体，圆柱体中堆积着相互交织和沿圆柱体轴向取向的波浪形微细带状微晶体，而这些微晶体的长度和伸直度决定了纤维的模量。每个带状微晶体由若干褶皱的层片构成，而每个层片则由碳原子类似石墨六角形结构排列而成，因此这种层片也称作石墨层片。在石墨层片的面内，C—C原子以较强的共价键形式相连接，可以赋予纤维高强和高模的特性，而石墨层片之间则通过较弱的范德华力相结合，抗剪切作用的能力差，但仍具有较好的导电和导热性。带状微晶体的宽度、石墨层片的数量以及厚度等决定了碳纤维的电和热性能。例如，石墨层片越大和取向度越高，则碳纤维的导热性和导电性越好。通过对纤维进行拉伸或热处理可以改进碳纤维微结构的有序程度，从而提高纤维的抗张模量、热导率、电导率和密度。
在约1000℃以内，PAN基碳纤维模量随碳化温度升高而较快增大，即使超过1000℃以后，模量仍随温度升高而增大，但强度则在约1200℃附近出现最大值，其后随温度升高而有所降低。
应用
碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中碳的含量在90%以上，高温下不熔融（3500℃以上升华），在各种溶剂中不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制备碳纤维。碳纤维既具有元素碳的各种优良性能，如密度小、耐热及热冲击、耐化学腐蚀和导电等，又有纤维的可绕性和优异的力学性能，既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用，在航空航天、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、体育器材等方面已得到广泛应用。
（1）航空航天及军事。减轻重量是航空航天技术的关键之一。在航空方面，要使飞机飞得更快、更高和更远，就必须减轻飞机的自重。如果将金属制成的飞机重量减轻一半，则飞行速度可提高一倍，飞行高度可达40km或50km以上，飞机绕地球飞行一周而无须加油。通常，航天飞行器的重量每减少1kg，可使运载火箭减轻500kg。美国F-18战斗机主翼外板使用的碳纤维复合材料占整个结构重量的10%；F-117隐形轰炸机的主要结构材料均为碳纤维复合材料；AV-8B垂直起降飞机所用碳纤维复合材料已占整机重量的1/4，使整机重量减轻27%；法国有2000架超级幻影式飞机装置了碳纤维复合材料方向舵；空中客车A320型飞机喷气发动机中采用了碳纤维/环氧树脂材料的旋转反推进器夹层及外壳。民用飞机上复合材料的用量正在不断增长，如波音系列新型777飞机的碳纤维复合材料用量较其他波音飞机提高8倍。由于先进碳纤维复合材料被大量用作飞机的结构材料，使飞机重量大幅度减轻，整机价格降低，飞行性能得到改善，可靠性提高。据波音公司估算，喷气客机重量每减轻450g，在整个飞机使用期间可节省约1000美元费用。2001年9月空中客车A300-600起飞后不久发生事故，最后认为与碳纤维/环氧树脂垂直尾翼以及一架波音747飞机的尾流扰动有关，这一结果对碳纤维复合材料用于飞机主承力结构件造成负面影响，波音公司和空中客车公司都不得不大幅削减近两年的飞机交付计划。尽管如此，碳纤维及其复合材料对航空工业的长期发展还是起到积极作用，因为飞机的一些金属零部件正在不断被碳纤维复合材料所取代。可以预计，近期碳纤维在宇航领域不会有大的增长，但中、长期仍会有一定增长。航天领域尤其需要比强度和比模量高、耐摩擦和耐高温的材料，而碳纤维复合材料恰恰充分显示了这方面的优越性。美国1979年发射的同步通讯卫星中有58%以上零部件（占总重量45%以上）采用了碳纤维复合材料，如直径2.9m的反射天线、7m长的太阳能电池框架等。1983年日本发射的同步通讯卫星中也开始使用碳纤维复合材料制成的抛物线天线装置。宇宙空间气候条件变化莫测，如阳光直射时最高温度可达100℃以上，而背阳环境下可低至-200℃以下，这就要求航天飞行器能够适应温度剧烈变化的空间环境。经过合理设计的碳纤维复合材料其热膨胀系数可接近零，用作宇航材料使用时不仅强度高、模量大，而且还显示出优异的尺寸稳定性。在飞行器表面铺覆或配置耐烧蚀性碳纤维复合材料层，可有效抑制因高速穿过大气层剧烈摩擦产生高温而造成的损害。美国国防部2002～2005年对碳纤维的需求量约350～400t，其中空军需求量最大，约占55%，而海军和陆军约占29%和14%，主要用于制造各种歼击机、直升机、运输机、无人驾驶空中飞行器和坦克等。同样，减轻重量对改进各种军事装备的性能也起着重要作用，如用碳纤维复合材料取代金属材料制作导弹发动机壳体，可显著提高发动机质量比（炸药与发动机质量之比）等。
（2）交通运输。世界上各种汽车的耗油量约占石油总消耗量的20%左右，所以汽车的发展必须考虑节能。减轻车身重量是改进汽车运行性能、提高燃油效率的有效措施。1984年起美国开始征收汽车轮胎重量税。在汽车工业中应用碳纤维复合材料，除了利用它的高比强和高比模减轻汽车重量外，另一个重要原因是可大大减少汽车零部件数量，从而降低加工和组装费用。美国通用汽车公司已在一些轻型载重汽车上使用48K大丝束碳纤维复合材料制成的传动轴，使原来由两件合并成的一个传动轴简化成单件，比钢制传动轴重量减轻60%。年产60万根传动轴，每根传动轴消耗碳纤维0.68kg，仅此每年需要的碳纤维已超过400t。目前一些主要汽车生产厂家正着力开发碳纤维复合材料的传动轴、方向盘轴、车架和门框等零部件。随着人口密度不断增大，噪音低、速度快、污染小和能耗少的大型交通工具在城市交通运输方面的作用越来越重要。磁悬浮列车被认为是一种比较理想的高速交通工具。在由日本东京至大阪的磁悬浮列车上，每节车厢长22m，车厢前、后端共10m全部采用碳纤维复合材料，车厢中部则采用铝合金，目的在于屏蔽电磁场，减少磁场对人体的不良作用。此外，与玻璃纤维复合材料（玻璃钢）相比，用碳纤维复合材料制成的舰艇或深海潜水器壳体，具有更为突出的力学性能，如美国橡树岭（Oak Ridge）国家实验室用缠绕成形工艺制成的酷似鲸鱼外形的碳纤维复合材料深海潜水器壳体，可承受70MPa外压，而重量仅为钛合金壳体的2/5。
（3）建筑材料。碳纤维在土木建筑方面日益受到青睐。水泥是建筑材料中用量最大的一种，但水泥脆性强、抗张强度低，为此可利用碳纤维增强水泥或混凝土材料。碳纤维增强水泥包括短纤维和连续纤维增强两类，主要用于高层建筑的外墙墙板。例如，在水泥中添加4%左右短碳纤维，可使水泥韧性提高30%～50%，抗张强度提高约两倍，并且裂纹少，耐腐蚀性好。除非承载墙板外，短碳纤维还可用于房顶防水涂层、电磁屏蔽板和导电板（可消除来自大气放电和雷击静电）、防腐蚀涂层等。用碳纤维取代钢筋，可防止钢筋混凝土的盐水降解及劣化现象，并有效减轻建筑构件重量，方便安装施工，缩短建筑工期。碳纤维还具有振动阻尼特性，可吸收振动波，使材料抗震能力和抗弯强度明显提高。日本东京一所办公大厦使用了32000m2碳纤维增强混凝土墙板，每块墙板为1.47m×3.76m，可承受630kg/m2风力，大厦整体结构减轻400t左右。用于增强混凝土的聚合物基碳纤维复合材料棒材已在美国问世，如商品名“CBARTM”的碳纤维复合材料棒材，具有不腐蚀、不导电，重量仅为钢制的1/4，热膨胀系数更接近混凝土，可在海堤、造纸厂、化工厂、高速公路护栏、房屋地基和桥梁等易腐蚀环境下使用。
碳纤维加固是近年来美国、日本等国家开发的新型土木建筑结构加固增强技术，图10-75为碳纤维复合材料加固建筑物示意图。该技术采用同向排列的连续碳纤维织物，在常温下用环氧树脂胶粘贴于混凝土结构表面，使两者成为新的整体，共同承载，是一种简捷高效的加固增强方法，且基本不增加结构物负载。
（4）体育运动器材。体育运动器材从一个侧面反映了现代材料科学技术发展的水平。与传统材料相比，碳纤维复合材料的综合性能好，已在高尔夫球杆、鱼竿、球拍、球棒、弓、滑雪和滑水板、赛车、赛艇等方面得到广泛应用。例如，世界碳纤维复合材料鱼竿年产量已超过1000万根、高尔夫球杆约4000万根、网球拍约450万个。用碳纤维复合材料制成的自行车车架已进入实用阶段，而摩托车上使用的碳纤维复合材料部件包括车架、燃料箱、护板等也逐渐增多。研究表明，在鞋底中嵌入碳纤维复合材料夹层可提高运动鞋的稳定性及弹性，用碳纤维复合材料制成的鞋底经300万次冲击试验后其弹性基本不变，而普通运动鞋已完全丧失弹性。
（5）其他方面。碳纤维在其他领域也有很多应用。例如，风力发电叶片、飞轮、输油输气管道、压力容器，电子工业方面的电磁屏蔽、高导电性、高导热性制品，海洋或河流方面的防波堤、码头、桥、闸墩、船身、甲板、桅杆制品，也可用于化工防腐材料、摩擦材料和制作挠性剑杆织机的剑头（引纬部件）及剑轮等。
发展史
最早的商业用途碳纤维（CF）可追溯到爱迪生（Thomas Edison）用棉纤维和竹纤维碳化后制白炽灯的灯丝，而真正有实用价值的碳纤维则始于20世纪50年代。1959年，美国联合碳化公司（UCC）以粘胶纤维为原丝制成商品名为“海菲勒—色内尔（Hyfil—Thornel）”的粘胶基碳纤维；1962年，日本碳素公司实现低模量（LM）聚丙烯腈基碳纤维的工业化生产；1963年，英国航空材料研究所（RAE）开发出高模量聚丙烯腈基碳纤维；1965年，日本群马大学试制成功以沥青或木质素为原料的通用型碳纤维；1970年，日本吴羽化学公司实现沥青基碳纤维的工业规模生产；1968年，美国金刚砂（Carborundum）公司研制出商品名“凯诺尔（Kynol）”的酚醛纤维，1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维投放市场。
发展趋势
目前碳纤维的发展趋势主要围绕纤维的高强度化、高模量化、大丝束化以及开发新的碳纤维制备技术等。
日本东丽公司生产的PAN基碳纤维的质量与产量可代表当今世界水平，1970年产业化时T300产品的抗张强度仅为3.0GPa左右，而目前T300产品的强度已提高到3.56GPa左右，为世界公认的通用级碳纤维。1986年，东丽公司开发成功T1000产品，抗张强度提高到7.02GPa，较T300提高一倍，其目标是进一步提高到8.56GPa（石墨晶体理论强度180GPa）。在高压氢气条件下碳弧放电所得石墨晶须的抗张强度达21GPa，是目前最高的。提高碳纤维抗张强度的关键技术包括：
（1）原丝高纯化和致密化，消除化学和物理结构缺陷；
（2）生产环境洁净化，避免污染而引入表面缺陷，碳纤维缺陷的约90%属表面缺陷；
（3）生产工艺最优化，如预氧化时瞬时排除反应热、减缓表面氧化速率制成皮芯结构均一的碳纤维等；
（4）细线密度化，T300单丝直径为7.0μm，T1000为5.2μm，后者比前者细25.7%；
（5）细晶化，微晶尺寸越小，纤维抗张强度越高。
超高模量碳纤维的模量已达理论值的88.2%。碳纤维的含碳量一般在92%～96%，如T300的含碳量为93.3%（实测值），T800为96.0%（实测值）；石墨纤维含碳量在99%以上，如塞拉尼斯公司的超高模石墨纤维GY-70，含碳量高达99.3%。因此，高模量碳纤维的含碳量已接近石墨，是名副其实的石墨纤维。中间相沥青基石墨纤维ThorneP-120的模量已达到理论值（1020GPa）的81.1%；聚丙烯腈（PAN）基石墨纤维M70J的模量为理论值的67.7%；而粘胶基石墨纤维Thornel-75仅为理论值的50.9%。三菱化学公司生产的中间相沥青基碳纤维长丝K13 C20的模量已达到900GPa，为理论值的88.2%。高模量碳纤维的结构特征是微晶发达、排列有序和择优取向度高，开发石墨纤维需高温技术和高温设备，即石墨化炉。其中，关键技术之一是解决石墨发热体的高温抗氧化问题，使其在2800～3000℃下可连续运行1个月以上。因此，石墨发热体的抗氧化和抑制升华是制备高模量碳纤维的关键技术。
由于市场需求量较大、原丝易得以及生产成本较低等，近年来大丝束碳纤维的发展迅猛，年增长率在20%以上。对于航空航天领域，需要高性能小丝束碳纤维，即使价格高也可通过材料的轻量化效果来补偿，但对民用工业，价格高限制了碳纤维的广泛应用，需开发价格较低的大丝束碳纤维。大丝束碳纤维的性能可以满足一般民用工业需求，与小丝束碳纤维相比，其性价比有一定优势。目前高性能小丝束PAN基原丝生产技术被少数公司垄断，市场供应量少，不能满足需求，而大丝束PAN基原丝来源较广，易得。PAN基原丝的K数越大，价格越低。
在高性能碳纤维生产成本中原丝成本约占50%，因此国外碳纤维生产公司试图从两方面降低原丝成本：
（1）探索开发PAN基以外的高性能碳纤维原丝，包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯以及木质素等；
（2）改进现有PAN基原丝制备技术，降低成本，如采用常规PAN纤维为原丝、化学改性、辐照稳定化处理等。
在高性能碳纤维生产过程中，预氧化工序所占成本比例约15%～20%，而且预氧化处理的时间较长，所以缩短生产周期，对降低生产成本有重要意义，如探索采用等离子体技术进行预氧化处理等。碳化和石墨化是制备高性能碳纤维的关键工序，对最终产品的性能有极大影响，其在高性能碳纤维生产成本中所占比例约25%～30%，在这方面的新技术如采用微波处理等已取得进展。