“工业黑色黄金”碳纤维

碳纤维是一种碳含量在95%以上的无机纤维，由不同原料经聚合、纺丝、氧化、高温碳化而成。根据原料种类，碳纤维主要有聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维3种。其中，以石油化工产品丙烯腈为主要原料的聚丙烯腈基碳纤维，占世界碳纤维总产量的90%以上，是高性能碳纤维的最主要来源。

碳纤维具有细如发丝、轻若鸿毛、强过钢铁等优异性能。碳纤维直径通常为5—7微米，只有头发丝1/10左右粗细，密度较小，一般为钢的1/5、钛的2/5、铝的3/5。虽然“身轻体薄”，一副由碳纤维制造的自行车车架，重量仅600克左右，相当于3个苹果；一根1米长的T1000级碳纤维，手指粗的一束，重量只有0.5克，可以拉动两架民航客机。但碳纤维强度却非常高，一般为钢的35倍。

实际应用中，通常会将一定数量的碳纤维“细丝”像编绳子一样缠绕起来，一束标准的12K（即1.2万根）碳纤维不到一支铅笔粗，却可以承受130千克左右的重量。同时，碳纤维能在3000摄氏度高温下安然无恙，在零下100摄氏度到100摄氏度之间，其尺寸基本保持不变，并且能在酸、碱、油、盐等各种腐蚀性环境里使用，可谓“真金不怕火炼”。

要想获得这样的特性并不容易。碳纤维制备流程长、工艺复杂，难度堪比芯片和微纳光刻。当前世界最先进的芯片光刻技术达到几纳米尺度，与之相似，高性能碳纤维也要求碳纤维内部缺陷控制在10纳米以内。碳纤维还要经过从普通室温到1700摄氏度甚至2500摄氏度的高温碳化。可以说，每一束碳纤维材料都是千锤百炼得来的。

碳纤维兼具碳材料的高强度和纤维纺织材料的柔软可加工性。一束手指粗的高强度碳纤维可以拉动飞机，碳纤维还可以编织成纤维布，根据需要编织裁剪成特定形状，经树脂固化变成比高强钢强度更高的材料。因为拥有多种优异特性，碳纤维应用广泛，成为航空航天、电力、交通运输等高端装备、重大基础工程、新能源等领域重要支撑性材料。

在航空航天领域，碳纤维的用量常被作为衡量航空航天装备水平的重要标志。碳纤维复合材料可以用于飞机、卫星、火箭等的制造，还能帮助产品减小噪声、节约燃料。例如，民航客机使用碳纤维复合材料叶片，重量比传统钛合金减少500多公斤，机身整体重量减少1吨，飞机油耗大幅度降低，航程实现有效提升。将碳纤维加入推进剂和发射药中，还能改善推进剂的力学性能，提高推进剂燃速，改善发射药的燃烧性能。

在与民生息息相关的汽车和风电领域，碳纤维成为提升性能的利器。将碳纤维复合材料用于汽车制造，能大幅提升汽车的加速性能、制动性能、减震性能、安全性能。高端精密的一级方程式赛车，各车型无一例外地应用碳纤维增强聚合物基复合材料制造车架、车身、底盘等，使车身减轻质量40%到60%，还保持了足够的强度和刚度。基于碳纤维材料，有的汽车生产企业已经制造出车身重量不到300千克的超级跑车。

在风电设备方面，叶片主梁是碳纤维复合材料的用武之地。这些主梁长度往往超过70米甚至达到120米，使用大丝束碳纤维进行制造，可以明显降低叶片重量，增加叶片刚度，产品性价比大幅提升，整个机组的发电效率、稳定性也随之提高。

在体育运动装备制造中，碳纤维也能一展身手。如在网球拍、自行车、高尔夫球杆、滑雪板、皮划艇制造中，充分发挥碳纤维材料重量轻的优势，可以减轻运动员“负担”。与铝合金球拍相比，运动员使用碳纤维制作的网球拍，可以将击打的最高球速提高20%，达到250公里/小时。未来，随着技术提升和成本降低，将会有更多运动装备用上碳纤维。

碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀、重量轻等诸多优异性能，在现代制造业中应用前景广阔，被誉为“工业黑色黄金”。新世纪以来我国组织开展碳纤维科学技术攻关，碳纤维工程化、产业化、国产化取得突破性进展，2022年碳纤维产量已占全球1/3。

摘编自“高性能碳纤维——应用前景广阔的新材料”，作者徐 坚，载《人民日报》。