（1）什么是碳纤维？
    碳纤维是一种直径约为5至10微米（0.00020–0.00039英寸）的纤维，主要由碳原子组成。

    碳纤维具有几个优势：高刚度、高拉伸强度、高强度重量比、高耐化学性、高温度耐受力和低热膨胀。这些性能使碳纤维在航空航天、土木工程、军事、赛车运动以及其他竞技运动中非常受欢迎。然而，与类似纤维（如玻璃纤维、玄武岩纤维或塑料纤维）相比，它们的价格相对较高。 要生产碳纤维，首先要将碳原子以晶体的形式粘合在一起，这些晶体或多或少地与纤维的长轴对齐，因为晶体的排列使纤维具有高的强度-体积比（换句话说，它对于其尺寸而言非常强大）。几千条碳纤维丝捆绑在一起形成一个束纱，可以单独使用，也可以编织成织物。

    碳纤维通常与其他材料结合形成复合材料。例如，当用塑料树脂浸透并烘烤时，它形成碳纤维增强聚合物（通常称为碳纤维），具有非常高的强度重量比，极高的刚度，但有些脆性。碳纤维还与其他材料（如石墨）复合，形成增强碳-碳复合材料，具有非常高的耐热性。碳纤维增强复合材料用于制造飞机和航天器零件、赛车车身、高尔夫球杆轴、自行车车架、钓鱼竿、汽车弹簧、帆船桅杆以及其他需要轻质和高强度的组件。

（2）碳纤维的结构和性能是什么？
    碳纤维通常以连续束的形式供应，缠绕在卷筒上。束是由数千个连续的单个碳丝组成的，由有机涂层或尺寸（如聚乙烯氧化物（PEO）或聚乙烯醇（PVA））保护和固定在一起。这种捻线可以从卷筒上方便地解开供使用。束中的每根碳丝都是一个直径为5-10微米的连续圆柱体，几乎完全由碳组成。最早一代（例如T300、HTA和AS4）直径为16-22微米。后来的纤维（例如IM6或IM600）直径约为5微米。 碳纤维的原子结构与石墨类似，由碳原子排列成规则的六角形（石墨烯片），不同之处在于这些片的相互锁定方式。石墨是一种晶体材料，其中片层与层之间呈规则平行排列。片之间的分子间力是相对较弱的范德华力，赋予石墨柔软和脆性的特性。 根据制作纤维的前驱体，碳纤维可能是涡流层状或石墨状，或者具有涡流层状和石墨状部分的混合结构。在涡流层状碳纤维中，碳原子片层呈无规律的折叠或皱褶。由聚丙烯腈（PAN）制成的碳纤维是涡流层状的，而由间相沥青制成的碳纤维在经过2200°C以上的高温处理后呈石墨状。涡流层状碳纤维往往具有很高的极限抗拉强度，而热处理后的间相沥青衍生碳纤维具有很高的杨氏模量（即高刚度或承受荷载时的延伸阻力）和高热导率。

（3）碳纤维的应用
    2012年，全球碳纤维市场的预计需求为17亿美元，2012年至2018年的预计年增长率为10-12%。碳纤维的最大需求来自飞机和航空航天、风能以及汽车工业的优化树脂系统。 碳纤维的成本可能高于其他材料，这一直是限制其应用的因素之一。在汽车材料的钢材和碳纤维之间的比较中，碳纤维可能比钢材贵10-12倍。然而，在过去的十年里，这种成本溢价已经从2000年代初的钢材价格的35倍下降了。

    碳纤维是复合材料之一 碳纤维最著名的用途是增强复合材料，特别是被称为碳纤维或石墨增强聚合物的材料类。非聚合物材料也可用作碳纤维的基体。由于金属碳化物的形成和腐蚀考虑，碳在金属基复合材料应用中取得了有限的成功。碳纤维增强石墨（RCC）由碳纤维增强石墨组成，用于高温应用的结构。纤维还用于高温气体过滤，作为具有高表面积和无可挑剔的耐腐蚀性的电极，以及作为防静电组件。在聚合物或热固性复合材料上模制一层薄薄的碳纤维可以显著提高防火性能，因为一层密集、紧凑的碳纤维可以有效地反射热量。 碳纤维复合材料的日益使用正在取代航空航天应用中的铝，转而使用其他金属，原因是镀锌腐蚀问题。然而，请注意，碳纤维并不能消除镀锌腐蚀的风险。与金属接触时，它形成了“一个完美的镀锌腐蚀电池......金属将受到镀锌腐蚀攻击”，除非在金属和碳纤维之间涂抹密封剂。 碳纤维可以作为沥青的添加剂，制成导电沥青混凝土。在交通基础设施中使用这种复合材料，特别是机场路面，可以减少由于冰雪造成的一些冬季维护问题，导致航班取消或延误。通过碳纤维的三维网络传递电流，散发热能，提高沥青的表面温度，能够融化其上的冰雪。

（4）纺织品
    碳纤维的前驱体包括聚丙烯腈（PAN）、粘胶和沥青。碳纤维长丝纱线用于多种加工技术：直接用途包括预浸、缠绕、拉挤、织造、编织等。碳纤维纱线按线密度（单位长度的重量；即1g/1000m = 1 tex）或每个纱线计数的碳纤维数量（单位：千）来评定。例如，200 tex 的 3,000 根碳纤维相当于 1,000 根碳纤维长丝的三倍强度，但重量也是三倍。然后，这种线可以用来编织碳纤维长丝织物或布料。这种织物的外观通常取决于纱线的线密度和所选的织物。一些常用的编织类型包括斜纹、缎纹和平纹。碳长丝纱线也可以被编织或钩编。

（5）微电极
    碳纤维用于制造碳纤维微电极。在这种应用中，通常将直径为 5-7 μm 的单根碳纤维密封在玻璃毛细管中。在尖端，毛细管用环氧树脂封闭并抛光，制成碳纤维盘状微电极；或者将纤维切割成 75-150 μm 长，制成碳纤维柱状电极。碳纤维微电极用于安培计或快速扫描循环伏安法检测生物化学信号。

（6）柔性加热
    尽管碳纤维以其电导率而闻名，但它们本身只能传输非常低的电流。当编织成较大的织物时，它们可以在需要柔性电加热元件的应用中可靠地提供（红外）加热，并且可以轻松承受超过 100℃ 的温度。这种应用的许多示例可以在 DIY 加热服装和毯子中看到。由于其化学惰性，它可以相对安全地与大多数织物和材料一起使用；然而，由于材料折叠在一起引起的短路会导致加热产生增加，并可能导致火灾。

（7）合成
    每根碳丝都是由聚合物（如聚丙烯腈（PAN）、粘胶或石油沥青）制成的。所有这些聚合物都被称为前驱体。对于合成聚合物（如 PAN 或粘胶），首先通过化学和机械过程将前驱体纺成长丝纱线，以初步使聚合物分子排列以增强最终碳纤维的物理性能。长丝纱线的纺制过程中使用的前驱体组成和机械过程可能因制造商而异。经过拉伸或纺丝后，聚合物长丝纱线经过加热以驱散非碳原子（碳化），生成最终的碳纤维。碳纤维长丝纱线可能会经过进一步处理以改善操作性能，然后卷绕在卷筒上。

    常见的制造方法包括将纺制的 PAN 长丝在空气中加热至约 300℃，这会破坏许多氢键并使材料氧化。氧化后的 PAN 然后置于充有惰性气体（如氩气）的炉中，加热至约 2000℃，这会使材料石墨化，改变分子键结构。在正确条件下加热时，这些链侧向键合（梯形聚合物），形成狭窄的石墨烯片，最终合并成单个的柱状长丝。其结果通常是 93-95% 的碳。使用沥青或粘胶作为 PAN 的替代品可以制造出质量较低的纤维。通过热处理过程，碳可以进一步增强，形成高模量或高强度碳。在 1500-2000℃范围内加热的碳（碳化）具有最高的抗拉强度（5,650 MPa 或 820,000 psi），而在 2500-3000℃范围内加热的碳（石墨化）具有更高的弹性模量（531 GPa 或 77,000,000 psi）。

参考资料： https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_fibers