碳纤维

概念定义

碳纤维（carbon fiber，简称CF）是一类主要由碳原子构成的高强度、高模量及耐高温纤维，也称碳纤。其含碳量可超过95%，属于无机高分子纤维材料。单根碳纤维的直径处于微米级，数千根单丝可集合成纤维束；纤维束既可单独使用，也可进一步编织成织物。

工作原理

碳纤维内部的碳原子在晶体结构中相互键合，不完全石墨结晶沿纤维轴向排列。碳结构与纤维长轴大致平行，使材料沿纤维方向具有较高的强度与模量，并形成较高的强度—体积比。实际使用时，单丝通常组成不同规模的丝束，再以丝束或织物形态制成结构件。

技术构成与制备

碳纤维可按原丝来源分为聚丙烯腈基、黏胶基和沥青基等类型。聚丙烯腈等有机原丝可通过高温碳化制成碳纤维；相关制备方式还包括热解法与气相法。材料成形后可保持纤维束形态，也可编织成具有特定纤维排列方式的织物，以适应不同结构和部件的制造需求。

材料特性

碳纤维兼具轻质、高强度、高模量、耐高温、耐冲击和耐化学腐蚀等特点。其密度低于钢和铝，在需要降低结构质量的部件中具有应用价值。碳纤维在非氧化环境下具有耐高温能力，在一定温度范围内尺寸变化较小，并可用于接触酸、碱、油和盐等介质的腐蚀环境。

应用场景

航空航天是碳纤维的重要应用领域，飞机、卫星和火箭的结构件可利用其轻质与高强度特性降低质量。新能源领域中，碳纤维可用于大型风力发电叶片主梁，包括长度超过70米乃至120米的叶片。交通运输领域可将碳纤维用于车身及赛车车架；采用碳纤维的赛车车架可实现约40%至60%的减重，部分车辆也会采用完全由碳纤维构成的车身。碳纤维还应用于电力、重大基础工程和体育休闲用品等领域。