在陶瓷、稀土、合金、有機硅等新型材料中，有一種材料具有十分獨特的優(yōu)越性，它就是被譽為“新材料之王”的碳纖維。小到球拍、釣魚竿等民用產(chǎn)品，大到飛機、衛(wèi)星和導彈等高精尖設備，都是碳纖維大展身手的領域。正是因為有著耐高溫、耐腐蝕、重量輕等諸多特殊性能，碳纖維一直以來都是國外進行技術封鎖和產(chǎn)品壟斷的戰(zhàn)略物資。再加上碳纖維的制造難度高、工藝復雜等原因，導致我國碳纖維的研究和發(fā)展在過去很長一個時期處于落后狀態(tài)。

復材生態(tài)圈

推動復材產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、在線化、智能化，共建復材生態(tài)系統(tǒng)，促進產(chǎn)業(yè)升級

14篇原創(chuàng)內(nèi)容

公眾號

20世紀80年代，我國組織全國力量開展碳纖維研制攻關，近年來已相繼實現(xiàn)了多個系列和級別的碳纖維國產(chǎn)化，而且解決了宇航級碳纖維的自主保障問題，使我國成為繼日本、美國之后第三個掌握宇航級碳纖維技術的國家。

隨著航空航天、風力發(fā)電、氫能源和新能源汽車等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，碳纖維行業(yè)正步入發(fā)展的快車道。在碳纖維的研究領域，我們實現(xiàn)了哪些重大突破？

來源：視覺中國

碳纖維為什么神奇

一桶標準的碳纖維，重約1公斤，長15000米。它的顏色黑黑的，其貌不揚，但是它確實很神奇。它是由我們?nèi)嗽斓挠袡C纖維經(jīng)過高溫轉(zhuǎn)化得到的含碳量90%以上的一種無機纖維，也叫“黑黃金”。為什么說是神奇的碳纖維呢？主要體現(xiàn)在五個方面。

第一是細如發(fā)絲。碳纖維直徑大概在5~8微米。

第二是輕如鴻毛。碳纖維的密度是鋼的五分之一，是鈦的五分之二，是鋁的五分之三。用碳纖維做成的自行車，重量僅僅5公斤，一位女士就可以很輕易地把它單手提起來。

第三是強如鋼鐵。碳纖維很強，首先它的強度高，一束標準12K碳纖維，可以承受130公斤左右的重量。其次碳纖維非常耐高溫，碳纖維在3000攝氏度下依然安然無恙。

第四是制備非常難。它的制備難度與航空發(fā)動機制造、芯片制造、微納制造是可以比擬的，它也是集人類工業(yè)文明之大成的一個杰作。碳纖維制備流程非常長，它包括上百個細分的工序，目前統(tǒng)計有兩千多個要控制的參數(shù)，是一個確確實實需要千錘百煉的過程。有專家統(tǒng)計，如果純粹靠實驗來研制碳纖維，所需要做的實驗次數(shù)是10的6次方到10的7次方。如果每天做10次實驗，碳纖維的研制需要上千年甚至更長的時間，所以是一個非常艱難的研發(fā)、制備過程。

第五是貴如黃金。因為碳纖維的制備非常難，流程非常長，所以它非常貴。目前宇航級的碳纖維，它的價格每公斤在千元到萬元這個范圍，是鋼和鋁合金的幾十倍。

碳纖維還有其他很多優(yōu)點，比方說它的耐腐蝕性能好，能耐各種酸、堿、油，還包括海洋環(huán)境，它的耐腐蝕性能優(yōu)于黃金和白金。同時碳纖維還有一個非常奇特的特點，就是它的膨脹系數(shù)接近0，在負100攝氏度到正100攝氏度之間，它的尺寸基本保持不變。另外，把碳纖維做成復合材料以后，它的抗疲勞性能非常好。

碳纖維有什么用

碳纖維材料從無到有，經(jīng)歷了100多年的歷史。它的出現(xiàn)推動了相關領域的技術進步，同時也形成了一個巨大的消費市場。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前全球碳纖維產(chǎn)能已經(jīng)突破了10萬噸量級。如此數(shù)量的碳纖維究竟被應用在哪些領域？它又如何改變著我們的生活？

碳纖維有什么用？主要包括以下三個方面。

第一，碳纖維是航空航天競爭力的一個重要標志。中國已經(jīng)成為世界上第三個自主擁有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家，在這方面碳纖維是功不可沒的。北斗衛(wèi)星，看起來就像一座房子帶著兩只翅膀，它的房子和翅膀都是用碳纖維復合材料做的。為什么要用碳纖維？首先，衛(wèi)星要裝足夠多的儀器設備，要求它的結構重量比要小于5%，所以必須用碳纖維；其次，衛(wèi)星的天線、相機等設備要求很高的精度，要解決熱變形的問題，碳纖維正好有這方面的優(yōu)勢，所以現(xiàn)在包括北斗衛(wèi)星在內(nèi)的高性能衛(wèi)星都是碳纖維復合材料化的衛(wèi)星。

第二，碳纖維是提升競技體育成績的一個制勝法寶。碳纖維在體育器材上應用廣泛。碳纖維的網(wǎng)球拍現(xiàn)在已經(jīng)成為冠軍選手必備的裝備。用碳纖維制作的網(wǎng)球拍，最高球速可以達到每小時將近250公里，但是高性能的鋁合金網(wǎng)球拍只能達到每小時200公里左右，速度提高了20%以上。剛剛退役的網(wǎng)球運動員費德勒，就是用Pro staff這種碳纖維網(wǎng)球拍獲得了20屆大滿貫的冠軍。

第三，碳纖維將是第四次工業(yè)革命一個重要物質(zhì)支撐。即將到來的星際航行、清潔能源和人工智能時代，碳纖維也將大有作為。人類要進入宇宙空間，要探索月球，要進行載人登月，要探測火星，也有可能要進行載人火星探測，要探索其他行星和小行星。無論進入宇宙空間到駐留宇宙空間，再到探索宇宙空間，包括今后建立宇宙空間的科考站，碳纖維都是不可或缺的。

今后會有大量的智能機器人，以機器人為代表的智能裝備，必須解決結構重量的問題，要輕量化，以保證它們的行走里程、續(xù)航時間等指標的完成。另外，這些智能裝備、機器人必須具備動態(tài)響應特性，碳纖維的復合材料在這方面有其他材料不可比擬的優(yōu)勢。在第四次工業(yè)革命前夕，在即將進入智能化、智慧化社會這個過程中，碳纖維和碳纖維復合材料將發(fā)揮越來越重要的作用。（作者系中國工程院黨組成員、副院長，復合材料專家）（來源：學習時報）

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