碳纖維是主要由碳組成的紡織品。它是通過將各種基于碳的聚合物紡成纖維，對其進(jìn)行處理以去除大部分其他物質(zhì)，然后將所得材料織成織物來生產(chǎn)的。通常將其嵌入塑料（通常為環(huán)氧樹脂）中以形成碳纖維增強(qiáng)塑料或碳纖維復(fù)合材料。該材料最顯著的特征是其高的強(qiáng)度重量比和相對的化學(xué)惰性。這些特性為它提供了廣泛的應(yīng)用，但是它的使用由于價(jià)格昂貴而受到限制。

這種材料的生產(chǎn)通?；诰郾╇妫≒AN）（一種用于服裝的合成紡織品中的塑料）或?yàn)r青（一種由石油制成的焦油狀物質(zhì)）。瀝青首先被紡成股，但PAN通常以纖維形式開始。通過強(qiáng)力加熱將它們轉(zhuǎn)化為碳纖維，以去除其他元素，例如氫，氧和氮；這個(gè)過程稱為熱解。在此過程中拉伸纖維有助于消除可能削弱最終產(chǎn)品的不規(guī)則性。

原始纖維首先在空氣中并在張力下被加熱到590°F（300°C），此過程稱為氧化或穩(wěn)定化。這將從分子中除去氫，并將纖維轉(zhuǎn)變成機(jī)械上更穩(wěn)定的形式。然后在無氧狀態(tài)下將它們加熱到約1,830°F（1,000°C），此過程稱為碳化。這樣可以去除更多的非碳材料，大部分留下碳。

當(dāng)需要高質(zhì)量，高強(qiáng)度的纖維時(shí)，會進(jìn)行進(jìn)一步的階段，即石墨化。將該材料加熱到1,732至5,500°F（1,500至3,000°C）之間，以將碳原子的形成轉(zhuǎn)化為類石墨結(jié)構(gòu)。這也去除了大部分殘留的非碳原子。術(shù)語“碳纖維”用于碳含量至少為90％的材料。當(dāng)碳含量大于99％時(shí)，該材料有時(shí)稱為石墨纖維。

如今，碳纖維被用于建筑橋梁和隧道以及其他土木工程項(xiàng)目。

產(chǎn)生的原始碳纖維不能與用于制造復(fù)合材料的物質(zhì)很好地粘合，因此通過使用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)物質(zhì)進(jìn)行處理會使其被輕度氧化。添加到結(jié)構(gòu)中的氧原子使其能夠與塑料（例如環(huán)氧樹脂）形成鍵。涂上薄薄的保護(hù)涂層后，將其編織成所需尺寸的紗線。這些反過來又可以織成織物，然后通常摻入復(fù)合材料中。

結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

單根纖維的直徑約為0.0002至0.0004英寸（0.005至0.010毫米）。紗線由成千上萬的這些股線編織在一起形成非常堅(jiān)固的材料。在每條鏈中，碳原子的排列方式與石墨類似：六角環(huán)連接在一起形成薄片。在石墨中，這些板是平坦的，并且彼此之間松散地粘合在一起，因此它們很容易滑開。在碳纖維中，薄片被折疊和弄皺，并形成許多細(xì)小的，互鎖的晶體，稱為微晶。制造中使用的溫度越高，這些微晶沿著纖維軸的取向就越多，強(qiáng)度也就越高。

在復(fù)合材料中，纖維本身的取向也很重要。依此，材料可以在某個(gè)方向上增強(qiáng)，也可以在所有方向上增強(qiáng)。在某些情況下，一小塊可以承受許多噸的沖擊，并且變形仍然很小。纖維復(fù)雜的交織性質(zhì)使其很難斷裂。

就強(qiáng)度/重量比而言，碳纖維復(fù)合材料是文明可以大量生產(chǎn)的最佳材料。最強(qiáng)的強(qiáng)度大約是鋼的五倍，并且重量輕得多。正在研究將碳納米管引入材料的可能性，這種方法可將強(qiáng)度重量比提高10倍或更多。

它具有的其他有用特性是其耐高溫的能力和惰性。分子結(jié)構(gòu)像石墨一樣非常穩(wěn)定，賦予其高熔點(diǎn)，使其與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性降低。因此，它對于可能受熱的部件以及需要耐腐蝕的應(yīng)用很有用。

用途

碳纖維用于許多需要高強(qiáng)度和低重量的地區(qū)。其中包括公共和私人交通工具，例如汽車，飛機(jī)和航天器；運(yùn)動器材，例如賽車，滑雪板和釣魚竿；和建設(shè)。該材料的相對惰性使它非常適合于化學(xué)工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用-由于它不會與體內(nèi)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此可以用于植入物。在土木工程中，已經(jīng)確定可以通過較便宜的簡單碳纖維增強(qiáng)材料避免舊橋的破壞和重建。

經(jīng)濟(jì)學(xué)

截至2013年，碳纖維的用途和需求受到其成本的限制。用復(fù)合材料制成的自行車通常要花費(fèi)幾千美元左右。一級方程式賽車的時(shí)速超過200英里/小時(shí)（320公里/小時(shí)），其制造和維護(hù)成本可能超過一百萬美元，這在很大程度上取決于這種材料的慷慨使用。然而，需求的大幅增長主要是由于大型商用飛機(jī)產(chǎn)量的增加。如果可以顯著降低成本，則它可能會成為用于具有極高耐用性和輕便性的車輛和小型產(chǎn)品的通用材料。