有一种材料不仅可以用在航天设备和飞机上，还可以用来制作鱼竿和羽毛球拍。可以说是上得了天，下得了地的全能材料。是碳纤维复合材料，那么碳纤维是怎么来的，强大在哪里，中国是否已经具备了高端碳纤维的能力？

碳纤维复合材料

碳纤维的出现离不开爱迪生

说到碳纤维材料的起源，就不得不提一个大家都很熟悉的人，爱迪生。1880年，爱迪生首先将棉、麻、竹等天然植物纤维碳化，得到碳纤维，用作白炽灯中的灯丝。但棉、麻多孔、易碎、易氧化。1909年，碳纤维在惰性气体中加热到2300以上，得到了最早的石墨纤维。直到1910年钨丝出现并成功用于白炽灯丝，碳纤维的研究才停止。

1950年，美国联合碳化公司首次用人造丝研制出碳纤维。1959年，日本大阪工业研究所首次用丙烯腈制成碳纤维。5年后，日本碳素公司和东丽公司成功实现碳纤维产业化，成为丙烯腈基碳纤维技术的领导者。1970年，美国联合碳化物公司与日本东丽公司达成合作协议，联合碳化物公司以碳化技术换取东丽公司的丙烯腈原丝技术。此后，美国和日本都站在了碳纤维技术的最前沿。如今，美国联合碳化公司和日本东丽公司已成为世界领先的碳纤维研究和生产公司。

日本东丽公司

碳纤维有多难造？

碳纤维主要由碳原子组成，含碳量为90%-95%。它是一种无机高分子纤维，三种材料都可以作为制造碳纤维的原料。聚丙烯腈(PAN)、沥青和粘胶，其中以PAN原丝制成的碳纤维性能最好，沥青次之，含碳量高，导电导热性能优异，价格低廉，也是一种优良的炭素材料。碳纤维通常与树脂和其他材料结合形成复合材料，比不锈钢轻50%，比铝合金轻30%，比玻璃纤维复合材料强度更高。

碳纤维和发丝的对比说明，黑色是碳纤维。

碳纤维的直径约为5~10微米，而一根头发丝的直径约为40~50微米。所以碳纤维材料的制造过程会非常复杂，涉及化工、纺织、材料、精密机械等领域。好的碳纤维各部分的强度、尺寸、性能都需要统一，达到标准。稍有不慎就会影响稳定性，所以在前驱体、设备、生产工艺上都有相当高的标准。

碳纤维涉及的领域

1.航空航天工业

碳纤维在航空航天领域的需求非常大，主要是因为它的两个优点：密度低，抗拉强度高。过去广泛用于航空发动机的钛合金重量轻、强度高。钛合金的密度一般为4500 kg/m，而碳纤维的密度一般为1400 ~ 2000 kg/m，即使经过环氧树脂增强后，密度也不会超过1600 kg/m，比钛合金轻很多。此外，碳纤维的抗拉强度极高，断裂高强度碳纤维材料需要更大的力，约为相同截面积钢材的2-4倍。所以碳纤维材料不像金属材料那样容易疲劳。金属疲劳后材料会开裂，长时间作用后整个材料会开裂。因此，碳纤维材料是最适合制造航空设备的材料。

世界上现有的先进民航客机大多采用碳纤维作为飞机外壳。例如，美国波音公司的波音787是第一架以碳纤维复合材料为主要材料的民用客机，其机体结构的50%由碳纤维复合材料制成。这样波音787就可以节省维修费用，机身更轻更省油。

波音787材料分析图

2.汽车制造业

宝马已经开始将复合碳纤维材料应用于小型车的外壳，以减轻车身材料，追求节能减排。然而，这种材料的一个致命缺陷使得它只适用于高端车辆的外壳。碳纤维复合材料可塑性低，损坏了只能整体更换，碳纤维价格高。一旦发生事故，一辆车基本就报废了，即使能修好，也要花很多钱。因此，在汽车制造业中，碳纤维材料受到超跑厂商和F1赛车厂商的青睐。碳纤维可以减轻车身重量，提高速度。最重要的是，买超跑和赛车的人不缺钱，能负担损坏车身的维修和更换费用。

碳纤维超级跑车

3.体育器械制造业

传统运动器材太重，耐腐蚀性差。碳纤维又一次以其轻盈的质感和耐腐蚀的性能征服了体育界。像羽毛球拍、网球拍、帆船、自行车、滑雪板、高尔夫球杆等装备，使用碳纤维材料可以让运动员更加省力，携带更加方便。这些仪器几乎都需要在户外使用，会长时间暴露在阳光下。碳纤维材料的耐腐蚀性可以更好地提高仪器的使用寿命。除了运动器材，高端钓竿基本都是碳纤维材质。结合钓竿的使用场景，钓竿需要重量轻，经得起风吹日晒，弹性和韧性好。所以对于爱钓鱼的人来说，碳纤维钓竿性价比更高。

碳纤维钓鱼竿

使用碳纤维的领域还有很多，建筑行业可以用碳纤维材料加固建筑；在可再生能源领域，碳纤维材料可用于制造风力发电组件；电子领域的微型元器件也可以用碳纤维，比如液晶投影仪、相机镜头；医疗行业可以将碳纤维用于x光扫描设备，也可以用于制作假肢、轮椅、病床等。碳纤维材料已经广泛应用于制造业，成为很多领域的宠儿，那么它在国内的发展如何？

碳纤维风车叶轮

从010年到1010年，中国研究碳纤维快50年了。70年代中期，第一次召开了碳纤维技术专题讨论会，成立了研究所。上世纪80年代，中国从国外引进碳。

纤维技术，国内碳纤维行业才开始发展。如今，中国也有大大小小的碳纤维企业几十家，能够量产碳纤维材料，但是制备工艺依然不如美日两国。

到现在为止，核心先进技术依旧掌握在日本东丽公司和美国联合碳化物公司手中。我国现在生产的较好的碳纤维每束基本处于0.1万根至1.2万根之间，只是小丝束碳纤维，小丝束碳纤维的单线产能和质量都比较低，大丝束碳纤维材料一直都依赖进口，而且经常供不应求。

图中白色部分为48K大丝束碳纤维样本

值得庆幸的是，在全国10余所高校、科研院所、企业的共同努力下，我国终于在2018年取得碳纤维技术的重大突破，成功实现了从12K小丝束到48K大丝束的飞跃，初步达到世界先进水平。2021年1月4日，中国石化上海石化“1.2万吨/年48K大丝束碳纤维”项目正式开工建设，投资35亿元，计划至2024年全部完成。相信这样的突破和举措能大大改善我国大丝束碳纤维被美日“卡脖子”的窘境。