你对炭纤维了解多少？

提起碳纤维，对于大多数人而言，似乎既熟悉又陌生。

它密度比铝低、强度比钢高，以出色的力学性能和化学稳定性被人们所称道，通常应用于各种高大上的航空航天设备以及昂贵的体育休闲用品：美国的小型固体洲际战略导弹“侏儒”，宝马的i3、i8以及7系主流车型，世界顶级自行车品牌土拨鼠山地自行车都使用了碳纤维。

但由于价格昂贵，碳纤维材料难以像合成树脂、橡胶、玻纤一样实现大规模应用。正因如此，碳纤维无法成为大众高频率使用物品的制造材料，大范围进入寻常百姓家。

尽管如此，它仍被称为“新材料之王”，同时由于颜色为黑，还有着“黑色黄金”的称号。

碳纤维主要在哪些行业有哪些应用？目前我国在该领域取得了那些成就？未来该如何进一步发展？本文将围绕这些问题进行讨论。

诞生

据中国军网报道，碳纤维的起源最早可追溯至1860年，它是由英国人在制作电灯灯丝时发明的。英国化学家、物理学家约瑟夫·威尔森·斯万爵士（Sir Joseph Wilson Swan，1828–1914）发明了以铂丝为发光体的白炽灯。为解决铂丝不耐热的问题，斯万使用碳化的细纸条代替铂丝。由于碳纸条在空气中很容易燃烧，斯万通过把灯泡抽成真空基本解决了这一问题。1860年，斯万发明了一盏以碳纸条为发光体的半真空电灯，也就是白炽灯的原型；但当时真空技术不成熟，所以灯的寿命不长。

直到1892年，爱迪生发明的“白炽灯泡碳纤维长丝灯丝制造技术（Manufacturing of Filaments for Incandescent Electric Lamp）”获得了美国专利（专利号：470925）。可以说，爱迪生发明了最早商业化的碳纤维。

目前，根据原丝种类的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。 聚丙烯腈（PAN）基碳纤维较于其他两种碳纤维工艺难度更低，同时拥有优异的成品品质和优良的力学性能， 是目前应用领域最广，产量也最大的一种碳纤维，占据市场 90%以上的份额。

根据丝束大小的不同，碳纤维可以分为大丝束纤维和小丝束纤维，分别对应不同的应用领域。一般48K及以上被称为大丝束（1K 表示一束碳纤维丝中含有1000根原丝），主要应用于以风电为代表的工业领域；24K及以下被称为小丝束，主要应用于国防军工、航空航天、体育休闲等领域。大丝束碳纤维与小丝束碳纤维相比具有生产原料广、性价比高的优势。

特点

1、细：碳纤维单纤维直径为5-8微米。

2、轻：碳纤维的密度是钢的五分之一，是钛的五分之二，是铝的五分之三。用碳纤维做成的自行车，重量能够低于5公斤。

3、强：碳纤维很强，首先它的强度高，一束标准12K碳纤维，可以承受130公斤左右的重量。其次碳纤维非常耐高温，碳纤维在3000摄氏度下依然安然无恙。

4、工艺复杂：有专家统计，如果纯粹靠实验来研制碳纤维，所需要做的实验次数是10的6次方到10的7次方。如果每天做10次实验，碳纤维的研制需要上千年甚至更长的时间，所以是一个非常艰难的研发、制备过程。

5、贵。因为工艺复杂，所以价格昂贵，目前宇航级的碳纤维，它的价格每公斤在千元到万元这个范围，是钢和铝合金的几十倍。

发展

在碳纤维相关技术的发展过程中，由于性能优异的碳纤维，制备难、技术壁垒高等特点，加上发达国家对碳纤维技术进行严格的专利保护和全面的技术封锁，我国碳纤维的产业发展一直在低水平徘徊，一直没有实现根本性技术突破。直到2001年，随着全球碳纤维供不应求，进口碳纤维非常困难，严重影响国防安全。83岁的战略科学家师昌绪院士给中共中央写了《关于加速开发高性能碳纤维的请示报告》，得到高度重视，对推动我国碳纤维研发与投入产生了深远影响。

近年来，我国在碳纤维领域取得的成就主要为三点：第一是相继实现了系列碳纤维（包括T300级、T700级和T800级）的国产化，解决了航天、航空等国防工业的自主保障问题；第二是建立了若干个高水平碳纤维和复合材料的研究研制平台，形成了包括高校、科研院所、大型企业在内的研发格局，使得推动碳纤维和复合材料的发展进入了一个新阶段；第三是相继建成了各类工业级碳纤维生产线。

去年8月15日，中国石化上海石化公司对外宣布了一项重磅进展：我国首套大丝束碳纤维生产线在上海完成中交，这意味着项目设备安装全部完成，且全部设备实现国产化，为下阶段试生产迈出关键一步。待项目建成投产之后，它将一举改变我国大丝束碳纤维全部依赖进口、长期供不应求的局面，有力推动国产碳纤维产业的高质量发展，跻身世界前列。

未来，我国碳纤维的产业化发展仍然任重而道远，主要有以下几个问题亟待解决：1、降低成本，提高效率，实现物美价廉；2、扩大应用领域，包含航天航空、汽车和体育等；3、创新发展，实现技术突破，主要为“变革性的原丝技术”和“变革性的碳化技术”，即原材料的创新和生产技术的创新。