碳纖維的起源可追溯到19世紀(jì)后期，美國(guó)人愛(ài)迪生（Edson）用碳絲制作燈泡的燈絲，從而發(fā)明了電燈，給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)了光明。但是在20世紀(jì)初期，美國(guó)通用電器公司的庫(kù)里基（Coolidge）發(fā)明了用鎢絲取代碳絲作為燈絲，并一直沿用至今。這使得碳絲一度退出了歷史舞臺(tái)。直到20世紀(jì)50年代，在美蘇冷戰(zhàn)和爭(zhēng)霸的時(shí)代背景下，為了解決戰(zhàn)略武器的耐高溫和耐燒蝕材料，碳纖維再次進(jìn)入人們的關(guān)注視角。并自此以后，在材料科學(xué)領(lǐng)域掀起了碳纖維研究與開(kāi)發(fā)熱潮，各種有機(jī)纖維被用來(lái)嘗試制備碳纖維。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，形成了聚丙烯腈（PAN）、瀝青和粘膠三大原料體系。其中，PAN基碳纖維因其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本較低和力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，已成為發(fā)展最快、產(chǎn)量最高、品種最多以及應(yīng)用最廣的一種碳纖維。
PAN纖維的商品名為腈綸，廣泛用于服飾領(lǐng)域，由于其性能很像羊毛，故又稱(chēng)為人造羊毛。首先發(fā)明用PAN纖維制造碳纖維的是日本大阪工業(yè)研究所的進(jìn)藤昭男（Shindo）博士。他發(fā)現(xiàn)PAN纖維需經(jīng)氧化處理才可得到碳纖維。隨后，英國(guó)皇家空軍研究所的瓦特（Watt）和約翰遜（Johnson）等人發(fā)現(xiàn)在氧化過(guò)程中施加張力牽伸才能制得高性能碳纖維。1969年，日本東麗公司（Toray）研制出共聚PAN原絲，結(jié)合美國(guó)聯(lián)合碳化物公司（Union Carbide）的炭化技術(shù)，生產(chǎn)出高強(qiáng)度、高模量碳纖維。如今，東麗公司的PAN基碳纖維無(wú)論質(zhì)量還是產(chǎn)量都居世界前列，代表當(dāng)今世界最高水平。
碳纖維作為一種高性能纖維，具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度約為2～7GPa，拉伸模量約為200～700GPa。再加上它的重量很輕，密度約為1.5～2.0g/cm3，僅為鋼的四分之一，這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和比模量。除此之外，碳纖維還具有許多其它優(yōu)良性能，如耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)低、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。在沒(méi)有氧氣存在的情況下，碳纖維能夠耐受3000oC以上的高溫，這是其他任何纖維材料無(wú)法與之相比的。而且，碳纖維對(duì)一般的有機(jī)溶劑、酸、堿都具有良好的耐腐蝕性，完全不存在生銹的問(wèn)題。
如此優(yōu)異的性能使碳纖維成為了材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的耀眼明星。但碳纖維很少單獨(dú)使用，一般只通過(guò)與樹(shù)脂、金屬或者陶瓷等基體材料進(jìn)行復(fù)合后再使用。碳纖維已成為先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料。由于碳纖維復(fù)合材料具有輕而強(qiáng)、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計(jì)性好、可大面積整體成型等特點(diǎn)，目前已在航空航天、國(guó)防軍工和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
碳纖維是火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰(zhàn)略基礎(chǔ)材料。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)略導(dǎo)彈的彈體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上，可大大減輕重量，提高導(dǎo)彈的射程和突擊能力，如美國(guó)80年代研制的“侏儒”洲際導(dǎo)彈（圖3）三級(jí)殼體全都采用碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料在新一代戰(zhàn)斗機(jī)上也開(kāi)始得到大量使用，如美國(guó)第四代戰(zhàn)斗機(jī)F22（圖4）采用了約為24%的碳纖維復(fù)合材料，從而使該戰(zhàn)斗機(jī)具有超高音速巡航、超視距作戰(zhàn)、高機(jī)動(dòng)性和隱身等特性。碳纖維在艦艇上也有重要的應(yīng)用價(jià)值，可減輕艦艇的結(jié)構(gòu)重量，增加艦艇有效載荷，從而提高運(yùn)送作戰(zhàn)物資的能力，而且，碳纖維不存在腐蝕生銹的問(wèn)題，可以延長(zhǎng)使用壽命和節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。 123,123
碳纖維還是讓大型民用飛機(jī)、汽車(chē)、高速列車(chē)等現(xiàn)代交通工具實(shí)現(xiàn)“輕量化”的完美材料。新一代大型民用客機(jī)空客A380（圖5）和波音787（圖6）使用了約為50%的碳纖維復(fù)合材料。這使飛機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)重量減輕了20%，比同類(lèi)飛機(jī)可節(jié)省20%的燃油，從而大幅降低了運(yùn)行成本、減少二氧化碳排放。
碳纖維在風(fēng)能、核能和太陽(yáng)能等新能源領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率超過(guò)3MW，葉片長(zhǎng)度超過(guò)40米時(shí)，傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)趨于極限，采用碳纖維復(fù)合材料制造葉片是必要的選擇。只有碳纖維才能既減輕葉片的重量，又能滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的要求。
碳纖維在運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域中也一直獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，像高爾夫球桿、釣魚(yú)竿、網(wǎng)球拍羽毛球拍、自行車(chē)、滑雪杖、滑雪板、帆板桅桿、航海船體等高檔運(yùn)動(dòng)休閑用品都是碳纖維的主要用戶(hù)之一。近幾年來(lái)，碳纖維開(kāi)始走進(jìn)普通民眾的生活，像音響、浴霸、取暖器等家用電器以及手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品也可以看到碳纖維的身影。
碳纖維的應(yīng)用產(chǎn)品不勝枚舉。隨著性能的進(jìn)一步提升和價(jià)格的大幅降低，碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域必將得到更寬廣的拓展?？梢灶A(yù)見(jiàn)將來(lái)碳纖維不但會(huì)在高、精、尖領(lǐng)域大顯身手，而且還會(huì)成為普通民眾日常生活中最親密、最信賴(lài)的朋友。
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