1.什么是碳纤维
碳纤维是以粘胶丝、聚丙烯腈或沥青等有机母体纤维，经过高温分解在1000～3000℃的惰性气体下制成的一种新型合成纤维。经过高温分解，原来材料中碳以外的所有元素都被分离出来。所以碳纤维中碳的含量在90%以上。碳纤维的颜色为黑色，坚硬，它不仅强度高，而且重量轻。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它是一种合成纤维，不仅有碳材料原来的特性，还兼具纺织纤维的柔软性和可加工性。如果单就它一种材料很难说明它性能的优越，在业内，人们一般将它和其他材料比较从而显示它的与众不同。碳纤维在强度上比钢大、在密度上比铝小、在耐腐蚀性上比不锈钢好、在耐热性上比耐热钢还耐高温、在导电性能上又能像铜那样导电。此外，碳纤维还具有许多电学、热学和力学特性。比如，碳纤维的轴向强度和模量很高，无蠕变，耐磨性也很好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，X射线透过性好。因而它是一种用途十分广泛的新型材料。不过美中不足的是碳纤维的耐冲击性比较差，容易损伤。而且在强酸中很容易发生氧化，与金属复合会让金属发生碳化、渗碳及电化学腐蚀反应。因而，碳纤维要先进行表面处理之后才能使用。
（1）碳纤维的制造
你知道吗？世界上第一个碳纤维的制造商是TORAY，他们是1971年开始从事碳纤维（PAN基碳纤维）工业化生产的。该公司给产品取名叫“TORAYCA”，其实这个名字是TORAY碳纤维的缩写。到目前为止，在全球领域TORAY仍然是生产和营销碳纤维的领导者。
在全球领域，所有的碳纤维制造厂家生产的碳纤维有两种。一种就是以聚丙烯腈为原料的PAN基碳纤维；另一种是由煤、石油利合成沥青蒸馏而成沥青，然后再聚合成纤维，即沥青基的碳纤维。不过，前者在碳纤维生产中占有绝对优势，因为PAN基的碳纤维在强度上比沥青基的碳纤维要好一些。
说起碳纤维，很多人一定很关心它是如何做成的。下面我们谈谈它的制作工艺。在PAN基碳纤维的生产过程中，首先是将聚丙烯腈通过聚合和纺纱工艺制成聚丙烯腈纤维，通常人们管聚丙烯腈纤维叫母体。接下来，将这些母体放到氧化炉里加热到200℃～300℃进行氧化。此外，这些原料还要在更高温度的碳化炉（温度为1000℃～2000℃）中碳化。
PAN基碳纤维还有粗纤维和细纤维之分。一般而言，除了常规类型的细碳纤维之外，PAN基碳纤维还包括一种被人们叫做“人丝束类型碳纤维”的粗纤维。通常，这种粗纤维的生产成本是比较低的。
一般来说，碳纤维的产品形式有四种，即纤维，布料，预浸料坯和短切纤维。其中，布料指的是由碳纤维制成的织品。预浸料坯则是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状的一种产品。通常所说的短切纤维指的是短丝。
（2）碳纤维特性
关于碳纤维的特性，前面我们已经说了不少。如人们通常所说，碳纤维是一种比铝还要轻、比钢还要硬的新材料。更特别的是它们的比重很小。例如它的比重是铁的四分之一，而强度却是铁的10倍。与它的同类——纤维比较起来你就可以初步了解碳纤维的特性。与其他纤维相比，碳纤维也有着独特的优越性。碳纤维的杨氏模量是传统的玻璃纤维的3倍多，是凯芙拉纤维的2倍左右。而且，碳纤维在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，它的耐蚀性也是出类拔萃的。根据相关学者的实验，在1981年将碳纤维浸泡在强碱氢氧化钠溶液中，让人吃惊的是虽然历经20多年，它还保持着原有的纤维形态。
作为一种物质，碳纤维是由和钻石同等材质的碳制成的。正是因为如此，碳纤维还有优越的抗张强度，它在化学组成上也十分稳定，并且抗腐蚀性也很强。碳纤维还具有包括高度的X射线穿透性，较高的抗化学、抗热和抗低温能力等其他特性。
正是由于碳纤维具有这些特性，所以它们在很多领域都很适用，因而也就决定了碳纤维用途的广泛性。简而言之，碳纤维主要用于包括体育运动，诸如用来制作高尔夫球棒和钓鱼竿，或者在航空航天领域中制作飞机元件以及工业用途中。
随着科学技术的发展和工业的不断进步，人们也在搜寻更多的新材料以适应现代科技以及工业生活的需要。碳纤维作为一种新型的材料，其需求量也在不断的增长中。目前，它已经广泛地应用于各行各业中，比如医疗设备、压力容器、土木工程和建筑材料、能源等等领域，到处都是它发挥作用的用武之地。随着碳纤维生产技术的发展，以及生产量的增加，碳纤维的生产成本也在逐渐降低，其加工技术也日趋多元化。不同的制造商根据具体的需求也生产出一系列的碳纤维产品。
2.什么是碳纤维复合材料
在日益发挥着重要作用的复合材料大家族中，纤维增强材料越来越受到人们的关注。我们这里说的就是碳纤维复合材料，它是复合材料家族中的新宠。最先问世的是玻璃纤维和有机树脂复合的玻璃钢，之后碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料等新成员，也相继出现在复合材料的大家族中。复合材料在不断发展中，其性能也在不断地改进，复合材料前景可谓一片大好。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。
从前面的介绍中我们知道，碳纤维是一种主要由碳元素组成的特种纤维。虽然它的含碳量因产品种类的不同而不同，不过，碳纤维的含碳量一般都在90%以上。作为一种新型材料，碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等。不过，碳纤维作为一种复合材料，还优于一般碳素材料。比如它的外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，且沿纤维轴方向有很高的强度。碳纤维还具有比重小的优点，有很高的比强度。
我们知道，碳纤维是一种含碳量较高的人造化学纤维，它即使经过热处理过程也不会熔融。它是经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺最终制成的新材料。将碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，便得到了结构材料。经复合而得到的碳纤维增强环氧树脂复合材料，在现有的所有结构材料中，比强度、比模量综合指标是最高的。此外，碳纤维复合材料无论是在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求，还是在高温、化学稳定性要求比较高的场合，优势都是十分显著的。用碳纤维与塑料制成的复合材料制作成的飞机，不仅重量轻，还有能量消耗少、推力大、噪音小的优点。用碳纤维增强塑料制造的卫星和火箭等宇宙飞行器，不但机械强度高，而且质量小，能节约大量的燃料。所以，碳纤维复合材料同时也是一种环保节能的材料。
