碳纤维也称为石墨纤维或碳石墨，由非常细的碳元素链组成。这些纤维具有很高的抗拉强度，并且其尺寸非常坚固。事实上，碳纤维的一种形式——碳纳米管被认为是最坚固的材料。碳纤维的应用包括建筑、工程、航空航天、高性能车辆、运动设备和乐器。在能源领域，碳纤维用于生产风车叶片、天然气储存和运输用燃料电池。在飞机工业中，它在军用和商用飞机以及无人驾驶飞行器中都有应用。对于石油勘探，它用于制造深水钻井平台和管道。

快速事实：碳纤维统计

• 每条碳纤维的直径为5到10微米。为了让你感觉到它有多小，一微米（um）等于0.000039英寸。单股蛛网丝通常在3到8微米之间。
• 碳纤维的硬度是钢的两倍，强度是钢的五倍（单位重量）。它们还具有高度的耐化学性，耐高温，热膨胀小。

原料

碳纤维由有机聚合物制成，有机聚合物由碳原子连接在一起的长串分子组成。大多数碳纤维（约90%）由聚丙烯腈（PAN）工艺制成。少量（约10%）由人造丝或石油沥青工艺制成。

制造过程中使用的气体、液体和其他材料会产生碳纤维的特定效果、质量和等级。碳纤维制造商为其生产的材料使用专有配方和原材料组合，通常，他们将这些特定配方视为商业机密。

具有最有效模量（用于表示物质具有特定性质（如弹性）的数值程度的常数或系数）特性的最高等级碳纤维用于航空航天等要求苛刻的应用。

制造工艺

制造碳纤维涉及化学和机械两个过程。被称为前体的原材料被拉成长链，然后在厌氧（无氧）环境中加热到高温。这种极端的热不是燃烧，而是导致纤维原子剧烈振动，几乎所有的非碳原子都被排出。

碳化过程完成后，剩余的纤维由长的紧密联锁的碳原子链组成，很少或没有剩余的非碳原子。这些纤维随后被编织成织物或与其他材料结合，然后长丝缠绕或模制成所需的形状和尺寸。

以下五个部分是制造碳纤维的PAN工艺中的典型部分：

1. 纺纱将平底锅与其他成分混合，纺成纤维，然后清洗和拉伸。
2. 稳定。纤维经过化学变化以稳定结合。
3. 碳化。稳定的纤维被加热到非常高的温度，形成紧密结合的碳晶体。
4. 处理表面。​纤维表面被氧化以改善粘合性能。
5. 尺寸。纤维被涂覆并缠绕在筒子上，筒子被装载到纺纱机上，纺纱机将纤维捻成不同尺寸的纱线。纤维也可以通过加热、压力或真空将纤维与塑料聚合物粘合在一起，而不是编织成织物。

碳纳米管的制造工艺与标准碳纤维不同。据估计，纳米管的强度是其前体的20倍，纳米管是在利用激光蒸发碳粒子的熔炉中锻造的。

制造业挑战

碳纤维的制造面临许多挑战，包括：

• 需要更具成本效益的恢复和维修
• 某些应用的不可持续制造成本：例如，尽管新技术正在开发中，但由于成本过高，碳纤维在汽车行业的使用目前仅限于高性能和豪华汽车。
• 必须仔细调整表面处理工艺，以避免产生凹坑，从而导致纤维缺陷。
• 确保一致质量所需的严密控制
• 健康和安全问题，包括皮肤和呼吸刺激
• 由于碳纤维的强导电性，电气设备中出现电弧和短路

碳纤维的未来

随着碳纤维技术的不断发展，碳纤维的可能性只会多样化和增加。在麻省理工学院，几项专注于碳纤维的研究已经显示出创造新的制造技术和设计以满足新兴行业需求的巨大希望。

麻省理工学院机械工程副教授约翰·哈特（John Hart）是奈米管的先驱，他一直在与学生们合作，改造制造技术，包括寻找与商用级3D打印机结合使用的新材料。哈特解释说：“我要求他们完全脱离常规思考；如果他们能设想出一种以前从未制造过的三维打印机，或者一种使用现有打印机无法打印的有用材料。”。

结果是印刷熔融玻璃、软冰淇淋和碳纤维复合材料的原型机器。根据哈特的说法，学生小组还创造了能够处理“聚合物大面积平行挤出”和对印刷过程进行“原位光学扫描”的机器。

此外，哈特与麻省理工学院化学副教授米尔恰·丁卡（Mircea Dinca）合作，最近与兰博基尼汽车公司（Automobili Lamborghini）结束了为期三年的合作，以研究新型碳纤维和复合材料的可能性，这些材料有朝一日不仅可以“使整个车身用作电池系统”，而且还可以“更轻、更坚固的车身、更高效的催化转化器、更薄的油漆和改进的动力传动系热传递（整体而言）。”

随着这些惊人的突破即将到来，难怪碳纤维市场预计将从2019年的47亿美元增长到2029年的133亿美元，同期复合年增长率（CAGR）为11.0%（或略高）。

来源

• 麦康奈尔，维姬。“碳纤维的制造”，复合材料世界。2008年12月19日
• 谢尔曼，唐。“超越碳纤维：下一个突破性材料的强度是20倍。”汽车和司机。2015年3月18日
• Randall，Danielle。“麻省理工学院研究人员与兰博基尼合作开发未来电动汽车。”MITMECHE/新闻：化学系，2017年11月16日
• “按原材料（聚丙烯腈、沥青、人造丝）、纤维类型（原材料、再生材料）、产品类型、模量、应用（复合材料、非复合材料）、最终用途行业（A&D、汽车、风能）划分的碳纤维市场，以及到2029年的地区全球预测。”MarketsandMarkets™. 2019年9月