『解析』你了解么？碳纤维的世界竟是如此神奇
本文摘要：（由ai生成）
碳纤维是一种具有卓越性能的轻质高强度材料，广泛应用于汽车和飞机制造中，以实现轻量化并提高燃油效率。它不仅强度高，密度小，还具有出色的耐热性、抗腐蚀性和抗疲劳性。在同等尺寸下，碳纤维的硬度是钢的四倍，而质量仅为同体积钢的三分之一。这种材料的制备涉及复杂的工艺流程，包括原丝制备、上浆处理、固化等步骤，通常需要用到模具和环氧树脂来实现硬化和成型。
碳纤维是一种轻质高强度的材料，在汽车和飞机上就有很多碳纤维材料组件。它可以被用来制造几乎任何东西，自行车、高尔夫球杆甚至钱包，都可以用碳纤维制造。不过由于其制备工艺的复杂性和原料的高成本，目前碳纤维应用还不广泛。本文将介绍作者（ Lee Hutchinson）在慕尼黑通用研究中心所见到的跟碳纤维材料有关的有趣知识。
慕尼黑通用全球研究中心，图中的自动化机械化正在将碳纤维放置在模具上。
复杂的工艺流程
碳纤维也可以被称为“复合材料”，复合材料是指两种或两种以上的物质以一种特殊的方式结合起来的材料，它常常综合了组成材料的优良性质。在通用电气研究中心时，我们在复合材料制备实验室中呆了很长的时间，见识了里面数不清的复合材料，从玻璃到金属，应有尽有。不过，接下来我将主要介绍碳纤维。
碳纤维是一种非常精巧的材料，它具有非常卓越的性能。在同等尺寸大小下，碳纤维往往比金属的硬度更强，密度更小，这就是为什么碳纤维常常被用于车体外板和喷射式涡轮当中的原因。硬度这个性质其实包括了很多衡量指标。具体来说，碳纤维的抗张强度（即对抗拉伸的能力）是钢的4倍，铝的8倍。而它抗弯曲的能力也比钢材和铝材大得多。并且，尽管碳纤维强度很大，但是它的质量却并不重，相反地，碳纤维的质量只有同体积钢的三分之一。
碳纤维的优异性能得益于它的组成物和制备时添加的胶或环氧树脂，碳纤维是由处理过的碳素长丝制成的，碳丝的厚度比人的头发还要细。制备时添加的环氧树脂能够让各种材料充分混合，并“硬化”。碳纤维的制备方法大同小异，都需要经过上述的“原丝制备和上浆”过程。
通常，在制备碳纤维时，你需要用到一个模具，用来放置碳纤维。在莫尼黑，我们见到的是机器人将碳纤维沿着一块大塑料板放置。但同样也存在非机械的人工放置碳纤维的处理方法。
图为通用研究中心的马赛厄斯·梅斯默（右）站在碳纤维自动放置机器人前。
添加树脂的方式是多种多样的。赛车和碳布片材中的高强度碳纤维就是用注射的方法来加入树脂的。有的时候，会用刷子给碳纤维涂上一层树脂，然后再放入模具。
在经过原丝制备、上浆处理后，等到碳纤维固化了，产品就真正做好了。固化过程常常用到的方法是加热，不过有的环氧树脂在室温下的固化效果更好，或者将环氧树脂放在真空中加压。固化现象跟一般的固化过程类似，只不过这里的树脂起到的作用是让碳纤维更好的硬化。此外，碳纤维在固化过程中可能会发生化学反应，生成原丝材料中不含碳的物质，导致纤维颗粒之间的团聚作用力更加强。这样，最后得到的就是我们所说的“碳纤维”了，呈黑色，看起来就像一块布，不过它非常的坚硬。
为什么是“碳”纤维?
复合材料常常是能用一系列不同的材料合成的，在莫尼黑实验室中也能见到不少，但碳纤维往往在需要刚度和轻质的地方却是无可替代的。这可能是因为碳原子的特性，科学研究表明碳原子非常容易和其他原子成键。
碳元素是一种非常有意思的元素，自然界中最坚硬的东西（金刚石）是碳单质，硬度最低的物质之一（石墨）也是碳单质。一般来说，用碳制备的材料和用其他单质制得的材料物性一样，都跟原子/分子成键的方式以及原子/分子团聚的方式有关。在这里，我们不谈太高深的化学知识，仅做简单类比：碳原子的成键方式是多种多样的，就像六面都有双头螺钉的乐高积木一样，成键选择非常的多。
碳原子间的成键方式决定了材料的性质。对石墨材料，碳原子是一层层堆积的，同一平面上的碳原子间所成的键非常强，但平面间的碳原子所成的键比较弱，这使得石墨材料非常容易分离(也使得石墨导电性能非常好）。而对于金刚石，碳原子成的键是三维的，晶胞属于四方晶格，尽管单个键的键能比石墨的键能要低，但是它所有方向的键能都是相同的（表面原子除外），因此材料整体显得坚硬得多。
石墨中两个相邻的面，表明石墨的晶胞属于六方晶系
碳纤维材料极大地利用了碳原子的成键特性。碳纤维的原丝制备使用的原材料中，最常用的是聚丙烯氰纤维，即“PAN”，由C、H、N三种元素组成。得到的原丝非常的细，一般不到10微米厚。原料中的碳原子结构类似石墨分子，并会在处理过程中变为牢固的六方结构。
成千上万的碳纤维”线”缠绕在一起就变成了碳纤维”绳”，看起来就跟布纺织中用的线一样。将碳纤维线卷绕在一个绕线轮上，接下来将其浸泡在环氧树脂中或用固化剂处理，根据需求调整所用的方式。
织布机上开出的“碳纤维之花”
碳纤维的布状纹理和结构决定了它无法轻易成型，而成型是制备过程中必须经过的一步。通常情况下，碳纤维是被织布机“纺织”成型的。也就是说，碳纤维的成型过程就跟棉线纺织成布是一样的。
不过除了这种纺织成型的方式外，还有一种利用模具成型的方式。不像我们在通用研究中心的所看到的，这种方法并不需要用自动化传感机器人来抹浆成型，它是先准备一个模具，并在其中放入大量的碳纤维，压制成型的。对于这两种方法，理论上都是可行的，实际操作中选用哪种要对材料的要求，毕竟，使用不同方法成型得到的碳纤维材料的物性是有区别的。
碳纤维“布”通常都会有特殊的纹理和图案，这些导致了布本身的性质有差异。对某种特定的布，它可能在水平和竖直方向上的抗拉强度都不错，但在对角线放上却很容易发生形变。不同的碳纤维布会在不同的轴方向上体现出抗拉性，但总有一个方向的抗拉强度并不高。
不同的碳纤维布样品，中间部分就是碳纤维。可以看出它们的纹理各有不同。
当然，完全成型的碳纤维在任何方向上的抗拉强度都是很大的。通常，会将不同纹理的碳纤维布叠在一起成型，这样一来，得到的产物就在各个方向上都能达到预期的抗压强度，让整个碳纤维都显得很坚硬。
正如我们先前提到的，抹浆成型过程所使用的方法有很多。你可以选择用“织布机”将碳纤维线织成各种形状，或是用自动化机械内置的红外灯加热碳纤维线成型，甚至可以用手糊成型，人工地将环氧树脂和其他高分子与碳纤维混合起来。理论上，这些方法得到的产品应该具有一样的性质，固化后，你都将得到刚度比同体积的刚和铝更高的轻质复合材料。
碳纤维材料也有一个缺点，那就是它的脆性可能很大。尽管碳纤维的强度很高，但是它的晶格结构比刚和铝更容易破碎。
为什么不用碳纤维来制备所有的东西呢？
这是一个很有意思的问题，既然碳纤维的性能这么优异，那为什么不将碳纤维应用在方方面面呢？比如，制造碳纤维椅子，或者碳纤维机箱，甚至说百分百碳纤维的汽车或是房子什么的，那么为什么不能这么做呢？
问题的答案非常明显，跟成本有关。碳纤维的制备工艺决定它并不能像其他化工产品一样大量生产，它的工艺流程非常的复杂（包括原丝制备，上浆，固化）。除此之外，碳纤维制备使用的原料也并不便宜。
所以，这并不是碳纤维材料的问题，只要负担得起高昂的成本，你可以用碳纤维制造任何你想要的物品。比如买自行车，只要你愿意付比铝材自行车多3到10倍的价钱，那么你当然可以拥有一辆碳纤维自行车。在进口车辆中，碳纤维材料非常的常见，甚至一些非常平价的车，比如雪佛兰科尔维特，也使用了碳纤维材料，只要不在意价钱，你能为你的爱车买到各种碳纤维组件，也能为你自己买到各种碳纤维生活用品。或许你会问，有使用碳纤维材料的高尔夫球杆吗?答案是肯定的，甚至大部分高尔夫球员所使用的球杆都是碳纤维的，毕竟职业球员是舍得花这份钱的。
实际上，碳纤维是一种非常流行的组件材料，尤其是在自动化领域。挂件，把手，甚至是冲嵌设备，都是可以用碳纤维来制造。碳纤维的纹理看起来就跟布一样，但摸起来又觉得它非常的坚硬(尽管在很多场合，它都是用透明塑料包裹起来了的)。
在高科技领域—特别是航天领域—碳纤维的性价比是非常高的。最新的空客和波音飞机（波音787和空客A350）在生产时都将使用大量的碳纤维材料，在莫尼黑通用研究中心中，我们就看到了用碳纤维材料制造的扇涡轮片，它可用于飞机的引擎当中。碳纤维卓越的性能，轻质、强度高，完全抵消了制造成本高的瑕疵。波音公司在787的生产过程中发现，通常碳纤维材料并不像金属材料一样会出现焊接纹或裂纹，而在42架等待交付的飞机的翼板上却发现碳纤维材料出现了应力破裂，因而不得不返工，原因显示在缝隙间没有填充垫片，导致应力过大。看来新材料的应用也是一项很有挑战性的工作。
来源：海旭碳纤维
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