尽管它曾经被降级为尖端的航空航天项目和财力雄厚的工厂赛车队，但碳纤维的使用在当今的无数行业中变得越来越普遍。虽然这导致越来越多的人了解碳纤维，但大多数人对碳纤维细节的掌握充其量是脆弱的，更不用说它的特性、历史、各种形式或用于生产它的众多制造技术了。因此，为了帮助解释这种现代和技术编织背后的细节，我们整理了这份完整的碳纤维指南。
碳纤维的强度是钢的五倍，刚度是钢的两倍，重量仅为其重量的三分之一，是一种超轻、坚硬的材料，具有出色的耐热性和最小的热膨胀性。碳纤维也被称为“石墨纤维”，其卓越的性能使其能够渗透到越来越多的产品空间中。虽然它被认为是一种相当尖端的材料，但碳纤维的故事——就像石墨烯一样——实际上可以追溯到1800年代中期。
碳纤维的历史和起源
碳纤维的首次使用记录发生在1860年，当时约瑟夫·威尔逊·斯旺爵士（Sir Joseph Wilson Swan）在早期的白炽灯泡中使用了这种材料。不久之后的1879年，托马斯·爱迪生（Thomas Edison）在第一批电加热灯泡之一中开发了一种基于纤维素的碳纤维长丝。通过一种称为“热解”的过程烘烤（或碳化）棉线和竹条——一种通过加热到极端温度将有机物热分解的过程——爱迪生能够获得一种碳纤维长丝，对高温具有令人难以置信的耐受性，使它们非常适合导电。
虽然自19世纪下半叶以来，该工艺的大多数方面都发生了巨大变化，但热解至今仍在生产中应用。爱迪生的系统一直是一项尖端技术，直到1900年代初，钨丝成为新标准，碳纤维在很大程度上被遗忘了，至少在接下来的半个世纪左右。
碳纤维的现代时代
当1950年代到来时，航空和火箭工业开始需要一种适合喷气发动机孔口的材料，最终导致在克利夫兰郊外发明了新的、抗拉强度更高的碳纤维。这些最初的高性能碳纤维由棉纤维和作为前体的粘胶人造丝纺织品组成。而且，虽然这标志着碳纤维整体发展的一大步，但它对随后的众多进步一无所知。
到1960年代初，日本工业科学技术厅的新藤昭夫博士尝试使用聚丙烯腈（或“PAN”）作为前体。通过使用PAN（一种合成的半结晶有机聚合物树脂，也是当今大约90%的商业碳纤维应用中使用的前体），Shindo博士能够生产出碳含量为55%的碳纤维，这比以前的碳含量约为20%的版本有了明显的飞跃，生产成本也大大降低。到1967年，劳斯莱斯的实验室外套——他们正在开发用于喷气发动机风扇组件的碳纤维——创造了一种更先进的版本，称为“CFRP”或“碳纤维增强聚合物”。
从50年代到70年代的二十年中取得的进步使人们对这种新兴材料的明显优点及其对铝和钢的优越性几乎没有任何疑问。碳纤维的重量比传统生产金属轻得多，同时还具有更好的整体抗拉强度和耐热性。它还具有异常高的抗翘曲或拉伸能力，使其非常有利于用于刚性、空气动力学的机身和结构，如飞机的鼻锥。
日本东丽株式会社（Toray Industries）目前是世界上最大的碳纤维制造商，十多年来一直在开发自己的碳纤维类型，在70年代初，该公司开始生产和销售其PAN高强度碳纤维的生产版本，即TORAYCA纱线T300。除了在这段时间经历了大量应用（包括采用碳纤维用于从钓鱼竿到高尔夫球杆的所有用途）之外，市场上T300的可用性意味着它很容易获得，导致它被用于值得注意的、备受瞩目的项目，如东京天文馆的射电望远镜。许多波音和空客机型的部件，甚至是哥伦比亚号航天飞机的货舱门。
1986年，东丽推出了新的改进型T1000材料，该材料的抗拉强度现已大大提高，并且由近95%的碳组成。在这一点上，碳纤维越来越像我们今天所知道的特技编织材料。后来的进步使汽化过程能够蒸煮掉大约50%的材料，从而产生碳含量接近100%的现代材料。
碳纤维基础知识
它是什么以及它是如何制作的
我们大多数人都习惯于看到碳纤维的成品形式，因此许多人不知道碳纤维的确切成分。简单地说：碳纤维是一种超细结晶长丝，它本身并不是特别坚固，但当卷绕成纱线时，可以提供令人难以置信的强度。纱线是通过将纤维线加热到极端温度，同时保护它们免受任何外界氧气的影响而制成的，从而防止纤维燃烧或燃烧。
这种加热过程（称为碳化）最终在原子水平上引起极端振动，从而消除纤维的非碳含量-剩余的大部分特性是氮。由此产生的产品是一种坚固的、紧密连接的碳原子链，然后可以将其变成纱线，然后编织成一种布状材料，可以在其他产品或物体上成型和模塑。
一旦编织完成，有两种主要方法可以生产常规模制碳纤维零件，这两种方法都涉及用某种树脂涂覆/填充材料。第一种被称为“预浸料”（或“预浸渍”），它是一种碳纤维织物，用树脂增强，然后放入模具中，在高压釜中加热，或在固化、成型和凝固的地方加热。另一种主要方法称为“真空灌注”，它涉及在赋予环氧树脂之前将碳编织织物覆盖在物体或模具上。
尽管多年来取得了长足的进步，但碳纤维的制造和生产仍然是一种相当昂贵的材料——尽管它现在的成本只是早期的一小部分。该过程几乎每一步都涉及的精度使得大规模使用材料变得极其困难。这不仅解释了为什么人造碳纤维（或“碳纤维外观”）部件变得如此普遍，而且还解释了为什么碳纤维部件通常保留用于更精英的车辆以及任何其他产品。
使用现代碳纤维
大多数碳纤维织物卷可以简单地用美工刀、剃须刀片或锋利的剪刀切割——假设片材的厚度小于0.5毫米。对于不那么薄的零件，您需要使用电动切割工具，例如Dremel、小型角磨机或切割轮。水射流和CNC加工也是切割和/或加工较厚碳纤维的常用方法。
探索锻造碳纤维
虽然锻造碳纤维（也称为“锻造复合材料”）一度明显不那么常见，但近年来越来越受欢迎。锻造碳纤维可以追溯到着名的俱乐部公司卡拉威和兰博基尼之间的合作。锻造碳纤维被高尔夫装备用于其俱乐部，并被精英汽车品牌用于各种组件，包括锻造碳纤维硬壳式底盘（如其Sesto Elemento概念所示），锻造碳纤维由精细切割的纤维煳状物制成——每平方英寸有五十万根涡轮纤维——与树脂结合，可以混合，然后形成所需的形状。
虽然锻造碳纤维的抗拉强度或强度不如普通碳纤维那么令人印象深刻，但它可以用于更具结构性的容量，使其能够执行传统预浸料编织无法执行的应用。它也可以以比传统碳纤维便宜得多的成本制造。锻造碳纤维还具有独特的“大理石碳纤维”外观。
碳纤维的优点和特性
当碳纤维结合在一起时，有许多特性使碳纤维成为高性能应用中的热门选择。与钢一样，碳纤维的高碳含量赋予了它令人难以置信的强度，尽管碳的强度是其五倍，同时还具有近七倍的抗拉伸性。尽管重量很小，但碳纤维具有出色的刚度和抗拉强度，还以其最小的热膨胀、耐化学性和承受极端高温的整体能力而闻名。碳纤维比铝和玻璃都轻，也不会生锈，而且与钢不同，碳纤维不容易因长时间疲劳而失效。
碳纤维的现代应用和用途
由于碳纤维的上述特性，该材料非常有利于许多现代应用。就像现代碳纤维的起步阶段一样，这种材料仍然是航空航天业的首选。现代商用货运和客机的主翼、尾翼和机身主要由碳纤维复合材料组成，使其更轻、更省油。
出于同样的原因，碳纤维在高性能赛车运动领域非常普遍，这种材料被广泛用于跑车和摩托车，尤其是比赛和赛道机器。赛车头盔也是如此，它通常由碳纤维制成。除了通常用于车身、隔热罩和消声器外，碳纤维还用于制造车轮、悬架部件，甚至整个车架。
它的重量和强度也使碳纤维在许多军事应用中广受欢迎，包括头盔和其他防护产品、无人机和其他无人机的机翼，以及各种武器应用。这些东西也出现在医学领域。放射科医生通常使用这种材料，因为它在X射线上显示为黑色。碳也已成为越来越受欢迎的假肢选择。刀具是另一个流行的细分市场，其中碳纤维（包括编织和锻造形式）被用作手柄材料。
在工作服领域，碳纤维现在被用于（以前是钢头）靴子的鞋柄，并迅速成为安全帽最常用的材料。体育用品是另一个大量使用碳纤维的领域。从高尔夫球杆和钓鱼竿到棍网球和曲棍球棒，从独木舟到雪鞋，再到网球和乒乓球拍，应有尽有。在高端自行车领域使用碳纤维也非常普遍。
碳纤维的整体复杂性和尖端性——这得益于其明确无误的技巧美学——也使其成为一种流行的应用材料，这些应用不一定需要材料具有显着的强度重量比或对过热的耐受性。取而代之的是，碳被用来美化产品，使它们更具吸引力和吸引力。这包括碳纤维手表组件、钱包、钢笔、钥匙扣等。碳纤维还用于车辆应用，以帮助实现更具异国情调和整体更理想的产品，例如碳纤维内饰和摩托车骑行装备的保护元件。
