碳纖維，江湖雅號“新材料之王”，輕質高強，在很多場合已有應用。材料人網已有多篇文章介紹過碳纖維，但并不系統。這一期的輕量化專欄，就專門為大家講講“新材料之王”的風采。
　　碳纖維，材如其名，就是纖維狀的碳材料，含碳量超過90%，而當碳含量超過99%后，這時候我們就得改名叫石墨纖維了。首先，我們簡單了解下碳纖維的發展歷史。
      
　　發展歷史
　　十九世紀末：愛迪生將棉線和竹子碳化，以制作燈泡絲。
　　二十世紀50年代： 人造纖維被用來制造碳纖維，但很快被聚丙烯腈所替代。
　　二十世紀60年代早期：種可以被應用的商業化碳纖維問世。
　　二十世紀60S、70S、80S：碳纖維主要在國防方面應用。
　　二十世紀末：冷戰的結束和蘇聯的垮臺，導致碳纖維的需求下降。
　　二十一世紀初至今：工業界、能源、體育用品、航天、風能行業的需求使碳纖維的產量大幅提升。
　　2008年以后：受技術原因和經濟疲軟，碳纖維需求發展增速變緩。
　　碳纖維可以用不同的原材料制備，主要有聚丙烯腈（PAN）、瀝青（可以分別稱之為PAN基或者瀝青基碳纖維）。其中以聚丙烯腈為常見，大約90%的碳纖維由它而制造（不特別說明的話，碳纖維指的就是PAN基碳纖維）。下面我們就以PAN原絲制造碳纖維的原理圖（來自日本帝人集團官網介紹）來介紹PAN的加冕之路
　　制作過程
　　本來想自己作圖的，發現作圖能力實在是渣，放上日本帝人集團的制作流程圖吧
      
　　圖1：碳纖維制作流程圖
　　圖1大致描述了碳纖維的制作過程，不過不夠形象。我們再來看看下面這張：
      
　　圖2：碳纖維制作示意圖
　　圖2描繪了從原絲（precursor）到碳纖維，經歷了氧化（Oxidzation Furance）、碳化（Carbonization Furance）、石墨化（Graphitization Furnace）、表面處理 （surface treatment）以及終的（CarbonFibers）碳纖維化的整個過程。
　　由于PAN原絲的玻璃化溫度低于100度，因此不能直接碳化，其需要先經過氧化過程（有的書稱之為預氧化，很貼切）。所謂碳化，是指去除非碳元素，使其碳含量超過90%。
　　如果將原絲經過碳化之后，繼續石墨化的話，就可以得到石墨纖維。具體方法是在2500-3000度、保護氣氛（一般是高純氬）、施加壓力下維持幾十秒，其目的是進一步去除雜質，讓結晶碳的結構朝石墨結構轉變。
      
　　圖3：碳纖維各道工序和各個階段的成本
　　由圖3可以看到原絲大約占50%以上的成本，每磅造價10美元左右（數據是2010年的）。
　　碳纖維的性能
　　既然稱之為“新材料之王”，性能方面自然有過人之處。口說無憑，我們將從幾個具體的指標來對比其他材料，看看碳纖維“過人”之處。
　　表1：幾種材料的比強度對比
      
　　所謂比強度，是指強度與密度的比值。比強度高，代表材料既強度高又質量輕，是輕量化材料重要的指標之一。從表1我們可以看到，碳纖維的比強度比鋼、鋁高出一個數量級，所以它才有可能在航空航天、汽車等領域替代鋼構、鋁構配件。
　　表2：材料的抗拉強度對比
      
　　抗拉強度是指材料在拉斷前所能承受的大載荷，是結構材料重要的力學性能指標。顯然，碳纖維的抗拉強度非常高，而且表2的數據并不是碳纖維產品中高值，可以說碳纖維是人類制造的抗拉強度高的三維材料。
　　表3：著名碳纖維生產企業帝人旗下的產品性能表
      
　　表3主要基于碳纖維的力學性能，碳纖維還有很多其他優秀的性能，簡要總結如下
　　表4：碳纖維的其他優異性能
　　
　　應用場景及公司
　　雖然碳纖維成本并不是很低，但已經不是什么稀罕物件。總體來說，碳纖維主要應用在航空航天、風能、汽車、體育、醫用設備、家居、個人用品等等。
　　碳纖維制造企業非常集中，據說前6的企業供應了93%的碳纖維。這六家企業是日本的Toray(東麗）、Toho（東邦）、mitsubishi（三菱）、美國的Zoletk(卓爾泰克，好像是被東麗給收購了）、Hexcel(赫氏）、Cytec(西泰克）。
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