碳纤维，江湖雅号“新材料之王”，轻质高强，在很多场合已有应用。材料人网已有多篇文章介绍过碳纤维，但并不系统。这一期的轻量化专栏，就专门为大家讲讲“新材料之王”的风采。
碳纤维，材如其名，就是纤维状的碳材料，含碳量超过90%，而当碳含量超过99%后，这时候我们就得改名叫石墨纤维了。首先，我们简单了解下碳纤维的发展历史
发展历史
十九世纪末：爱迪生将棉线和竹子碳化，以制作灯泡丝。
二十世纪50年代： 人造纤维被用来制造碳纤维，但很快被聚丙烯腈所替代。
二十世纪60年代早期：第一种可以被应用的商业化碳纤维问世。
二十世纪60S、70S、80S：碳纤维主要在国防方面应用。
二十世纪末：冷战的结束和苏联的垮台，导致碳纤维的需求下降。
二十一世纪初至今：工业界、能源、体育用品、航天、风能行业的需求使碳纤维的产量大幅提升。
2008年以后：受技术原因和世界经济疲软，碳纤维需求发展增速变缓。
碳纤维可以用不同的原材料制备，主要有聚丙烯腈（PAN）、沥青（可以分别称之为PAN基或者沥青基碳纤维）。其中以聚丙烯腈最为常见，大约90%的碳纤维由它而制造（不特别说明的话，碳纤维指的就是PAN基碳纤维）。下面我们就以PAN原丝制造碳纤维的原理图（来自日本帝人集团官网介绍）来介绍PAN的加冕之路
制作过程
本来想自己作图的，发现作图能力实在是渣，放上日本帝人集团的制作流程图吧
图1：碳纤维制作流程图
图1大致描述了碳纤维的制作过程，不过不够形象。我们再来看看下面这张：
图2：碳纤维制作示意图
图2描绘了从原丝（precursor）到碳纤维，经历了氧化（Oxidzation Furance）、碳化（Carbonization Furance）、石墨化（Graphitization Furnace）、表面处理 （surface treatment）以及最终的（CarbonFibers）碳纤维化的整个过程。
由于PAN原丝的玻璃化温度低于100度，因此不能直接碳化，其需要先经过氧化过程（有的书称之为预氧化，很贴切）。所谓碳化，是指去除非碳元素，使其碳含量超过90%。
如果将原丝经过碳化之后，继续石墨化的话，就可以得到石墨纤维。具体方法是在2500-3000度、保护气氛（一般是高纯氩）、施加压力下维持几十秒，其目的是进一步去除杂质，让结晶碳的结构朝石墨结构转变。
图3：碳纤维各道工序和各个阶段的成本
由图3可以看到原丝大约占50%以上的成本，每磅造价10美元左右（数据是2010年的）。
碳纤维的性能
既然称之为“新材料之王”，性能方面自然有过人之处。口说无凭，我们将从几个具体的指标来对比其他材料，看看碳纤维“过人”之处。
表1：几种材料的比强度对比
| 材料 | 比强度（KN.m/kg) |
| 光谱纤维 | 3619 |
| 卡拉夫 | 2514 |
| 碳纤维 | 2457 |
| 玻璃纤维 | 1307 |
| 蜘蛛丝 | 1069 |
| 碳纤维复合材 | 785 |
| 钢合金 | 254 |
| 铝合金 | 222 |
| 聚丙烯 | 89 |
| 橡木 | 87 |
| 尼龙 | 69 |
所谓比强度，是指强度与密度的比值。比强度高，代表材料既强度高又质量轻，是轻量化材料最重要的指标之一。从表1我们可以看到，碳纤维的比强度比钢、铝高出一个数量级，所以它才有可能在航空航天、汽车等领域替代钢构、铝构配件。
表2：材料的抗拉强度对比
| 材料 | 抗拉强度（Mpa） |
| 碳钢1090 | 3600 |
| 高密度聚乙烯 | 37 |
| 聚乙烯 | 19.7-80 |
| 不锈钢AISI 302 | 860 |
| 铝合金2014-T6 | 483 |
| 铝合金6063-T6 | 248 |
| 无碱玻璃 | 3450 |
| 层压无碱玻璃 | 1500 |
| 碳纤维 | 4127 |
| 层压碳纤维 | 1600 |
| 卡拉夫 | 2700 |
| 松木（顺纹方向） | 40 |
抗拉强度是指材料在拉断前所能承受的最大载荷，是结构材料重要的力学性能指标。显然，碳纤维的抗拉强度非常高，而且表2的数据并不是碳纤维产品中最高值，可以说碳纤维是人类制造的抗拉强度最高的三维材料。
表3：著名碳纤维生产企业帝人旗下的产品性能表
表3主要基于碳纤维的力学性能，碳纤维还有很多其他优秀的性能，简要总结如下
表4：碳纤维的其他优异性能
| 热膨胀系数 | （-0.5—1.5）X10-6/K，远低于钢 |
| 导热性 | 接近钢 |
| 抗化学腐蚀性 | 除强氧化酸外，抗酸、碱 |
| 耐高温 | 400度以下性能稳定，甚至可抗1000度 |
| 抗疲劳性 | 应力疲劳试验百万次后，强度保留60%，钢仅40%、铝30% |
应用场景及公司
虽然碳纤维成本并不是很低，但已经不是什么稀罕物件。总体来说，碳纤维主要应用在航空航天、风能、汽车、体育、医用设备、家居、个人用品等等。
碳纤维制造企业非常集中，据说全球前6的企业供应了93%的碳纤维。这六家企业是日本的Toray(东丽）、Toho（东邦）、mitsubishi（三菱）、美国的Zoletk(卓尔泰克，好像是被东丽给收购了）、Hexcel(赫氏）、Cytec(西泰克）。这些公司的简介材料人网曾有介绍，可以参考这里：http://www.cailiaoren.com/article-2269-1.html
本文参考了大量外文文章如下：
关于碳纤维的性能：http://www.christinedemerchant.com/carboncharacteristics.html
帝人的碳纤维性能：http://www.tohotenax.com/cn/products/products_pro.html
碳纤维成本：http://www.rmi.org/RFGraph-carbon_fiber_cost_breakdown
来源: 材料人网
