摘要：碳纖維是一種輕質高強度的材料，在汽車和飛機上就有很多碳纖維材料組件。它可以被用來制造幾乎任何東西，自行車、高爾夫球杆甚至錢包，都可以用碳纖維制造。不過由于其制備工藝的複雜性和原料的高成本，目前碳纖維應用還不廣泛。本文将介紹作者（ Lee Hutchinson）在慕尼黑通用研究中心所見到的跟碳纖維材料有關的有趣知識。

慕尼黑通用全球研究中心，圖中的自動化機械化正在将碳纖維放置在模具上。

複雜的工藝流程

碳纖維也可以被稱為“複合材料”，複合材料是指兩種或兩種以上的物質以一種特殊的方式結合起來的材料，它常常綜合了組成材料的優良性質。在通用電氣研究中心時，我們在複合材料制備實驗室中呆了很長的時間，見識了裡面數不清的複合材料，從玻璃到金屬，應有盡有。不過，接下來我将主要介紹碳纖維。

碳纖維是一種非常精巧的材料，它具有非常卓越的性能。在同等尺寸大小下，碳纖維往往比金屬的硬度更強，密度更小，這就是為什麼碳纖維常常被用于車體外闆和噴射式渦輪當中的原因。硬度這個性質其實包括了很多衡量指标。具體來說，碳纖維的抗張強度（即對抗拉伸的能力）是鋼的4倍，鋁的8倍。而它抗彎曲的能力也比鋼材和鋁材大得多。并且，盡管碳纖維強度很大，但是它的質量卻并不重，相反地，碳纖維的質量隻有同體積鋼的三分之一。

碳纖維的優異性能得益于它的組成物和制備時添加的膠或環氧樹脂，碳纖維是由處理過的碳素長絲制成的，碳絲的厚度比人的頭發還要細。制備時添加的環氧樹脂能夠讓各種材料充分混合，并“硬化”。碳纖維的制備方法大同小異，都需要經過上述的“原絲制備和上漿”過程。

通常，在制備碳纖維時，你需要用到一個模具，用來放置碳纖維。在莫尼黑，我們見到的是機器人将碳纖維沿着一塊大塑料闆放置。但同樣也存在非機械的人工放置碳纖維的處理方法。

圖為通用研究中心的馬賽厄斯·梅斯默（右）站在碳纖維自動放置機器人前。

沒有添加樹脂的原絲還稱不上是碳纖維。我們在慕尼黑的實驗室看到，碳纖維自動放置機械會将碳纖維浸泡在環氧樹脂中，并用使之成型。長線軸中的原絲是被冷處理過的，為了防止樹脂固化，而當這些原絲被放置在模具表面上時，機械會瞬間加熱它，讓它馬上固化。

添加樹脂的方式是多種多樣的。賽車和碳布片材中的高強度碳纖維就是用注射的方法來加入樹脂的。有的時候，會用刷子給碳纖維塗上一層樹脂，然後再放入模具。

在經過原絲制備、上漿處理後，等到碳纖維固化了，産品就真正做好了。固化過程常常用到的方法是加熱，不過有的環氧樹脂在室溫下的固化效果更好，或者将環氧樹脂放在真空中加壓。固化現象跟一般的固化過程類似，隻不過這裡的樹脂起到的作用是讓碳纖維更好的硬化。此外，碳纖維在固化過程中可能會發生化學反應，生成原絲材料中不含碳的物質，導緻纖維顆粒之間的團聚作用力更加強。這樣，最後得到的就是我們所說的“碳纖維”了，呈黑色，看起來就像一塊布，不過它非常的堅硬。

用碳纖維材料制成的渦輪組件，後面是未上漿的碳纖維線。

為什麼是“碳”纖維?

複合材料常常是能用一系列不同的材料合成的，在莫尼黑實驗室中也能見到不少，但碳纖維往往在需要剛度和輕質的地方卻是無可替代的。這可能是因為碳原子的特性，科學研究表明碳原子非常容易和其他原子成鍵。

碳元素是一種非常有意思的元素，自然界中最堅硬的東西（金剛石）是碳單質，硬度最低的物質之一（石墨）也是碳單質。一般來說，用碳制備的材料和用其他單質制得的材料物性一樣，都跟原子/分子成鍵的方式以及原子/分子團聚的方式有關。在這裡，我們不談太高深的化學知識，僅做簡單類比：碳原子的成鍵方式是多種多樣的，就像六面都有雙頭螺釘的樂高積木一樣，成鍵選擇非常的多。

碳原子間的成鍵方式決定了材料的性質。對石墨材料，碳原子是一層層堆積的，同一平面上的碳原子間所成的鍵非常強，但平面間的碳原子所成的鍵比較弱，這使得石墨材料非常容易分離(也使得石墨導電性能非常好）。而對于金剛石，碳原子成的鍵是三維的，晶胞屬于四方晶格，盡管單個鍵的鍵能比石墨的鍵能要低，但是它所有方向的鍵能都是相同的（表面原子除外），因此材料整體顯得堅硬得多。

石墨中兩個相鄰的面，表明石墨的晶胞屬于六方晶系

碳纖維材料極大地利用了碳原子的成鍵特性。碳纖維的原絲制備使用的原材料中，最常用的是聚丙烯氰纖維，即“PAN”，由C、H、N三種元素組成。得到的原絲非常的細，一般不到10微米厚。原料中的碳原子結構類似石墨分子，并會在處理過程中變為牢固的六方結構。

成千上萬的碳纖維”線”纏繞在一起就變成了碳纖維”繩”，看起來就跟布紡織中用的線一樣。将碳纖維線卷繞在一個繞線輪上，接下來将其浸泡在環氧樹脂中或用固化劑處理，根據需求調整所用的方式。

織布機上開出的“碳纖維之花”

碳纖維的布狀紋理和結構決定了它無法輕易成型，而成型是制備過程中必須經過的一步。通常情況下，碳纖維是被織布機“紡織”成型的。也就是說，碳纖維的成型過程就跟棉線紡織成布是一樣的。

不過除了這種紡織成型的方式外，還有一種利用模具成型的方式。不像我們在通用研究中心的所看到的，這種方法并不需要用自動化傳感機器人來抹漿成型，它是先準備一個模具，并在其中放入大量的碳纖維，壓制成型的。對于這兩種方法，理論上都是可行的，實際操作中選用哪種要對材料的要求，畢竟，使用不同方法成型得到的碳纖維材料的物性是有區别的。

碳纖維“布”通常都會有特殊的紋理和圖案，這些導緻了布本身的性質有差異。對某種特定的布，它可能在水平和豎直方向上的抗拉強度都不錯，但在對角線放上卻很容易發生形變。不同的碳纖維布會在不同的軸方向上體現出抗拉性，但總有一個方向的抗拉強度并不高。

不同的碳纖維布樣品，中間部分就是碳纖維。可以看出它們的紋理各有不同。

當然，完全成型的碳纖維在任何方向上的抗拉強度都是很大的。通常，會将不同紋理的碳纖維布疊在一起成型，這樣一來，得到的産物就在各個方向上都能達到預期的抗壓強度，讓整個碳纖維都顯得很堅硬。

正如我們先前提到的，抹漿成型過程所使用的方法有很多。你可以選擇用“織布機”将碳纖維線織成各種形狀，或是用自動化機械内置的紅外燈加熱碳纖維線成型，甚至可以用手糊成型，人工地将環氧樹脂和其他高分子與碳纖維混合起來。理論上，這些方法得到的産品應該具有一樣的性質，固化後，你都将得到剛度比同體積的剛和鋁更高的輕質複合材料。

碳纖維材料也有一個缺點，那就是它的脆性可能很大。盡管碳纖維的強度很高，但是它的晶格結構比剛和鋁更容易破碎。

為什麼不用碳纖維來制備所有的東西呢？

這是一個很有意思的問題，既然碳纖維的性能這麼優異，那為什麼不将碳纖維應用在方方面面呢？比如，制造碳纖維椅子，或者碳纖維機箱，甚至說百分百碳纖維的汽車或是房子什麼的，那麼為什麼不能這麼做呢？

問題的答案非常明顯，跟成本有關。碳纖維的制備工藝決定它并不能像其他化工産品一樣大量生産，它的工藝流程非常的複雜（包括原絲制備，上漿，固化）。除此之外，碳纖維制備使用的原料也并不便宜。

所以，這并不是碳纖維材料的問題，隻要負擔得起高昂的成本，你可以用碳纖維制造任何你想要的物品。比如買自行車，隻要你願意付比鋁材自行車多3到10倍的價錢，那麼你當然可以擁有一輛碳纖維自行車。在進口車輛中，碳纖維材料非常的常見，甚至一些非常平價的車，比如雪佛蘭科爾維特，也使用了碳纖維材料，隻要不在意價錢，你能為你的愛車買到各種碳纖維組件，也能為你自己買到各種碳纖維生活用品。或許你會問，有使用碳纖維材料的高爾夫球杆嗎?答案是肯定的，甚至大部分高爾夫球員所使用的球杆都是碳纖維的，畢竟職業球員是舍得花這份錢的。

實際上，碳纖維是一種非常流行的組件材料，尤其是在自動化領域。挂件，把手，甚至是沖嵌設備，都是可以用碳纖維來制造。碳纖維的紋理看起來就跟布一樣，但摸起來又覺得它非常的堅硬(盡管在很多場合，它都是用透明塑料包裹起來了的)。

在高科技領域—特别是航天領域—碳纖維的性價比是非常高的。最新的空客和波音飛機（波音787和空客A350）在生産時都将使用大量的碳纖維材料，在莫尼黑通用研究中心中，我們就看到了用碳纖維材料制造的扇渦輪片，它可用于飛機的引擎當中。碳纖維卓越的性能，輕質、強度高，完全抵消了制造成本高的瑕疵。波音公司在787的生産過程中發現，通常碳纖維材料并不像金屬材料一樣會出現焊接紋或裂紋，而在42架等待交付的飛機的翼闆上卻發現碳纖維材料出現了應力破裂，因而不得不返工，原因顯示在縫隙間沒有填充墊片，導緻應力過大。看來新材料的應用也是一項很有挑戰性的工作。

碳纖維裝配架，冷凍貯存着浸泡過環氧樹脂的碳纖維，将在另一個房間的機器人手中固化成型。

碳纖維的應用前景

複雜的工藝流程和高昂的成本其實也算不上大問題，技術不斷向前發展，碳纖維材料也将在更多的領域找到自己的用武之地，事實上，這也是通用研究中心的科學家們正在進行的工作—簡化制備工藝，設計自動化生産線，為碳纖維找到更多的應用場合。

作者：LeeHutchinson

新材料在線編譯整理

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