碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。

　　碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。

　　碳纖維與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱夫拉纖維相比，楊氏模量是其2倍左右，在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。

應(yīng)用領(lǐng)域

　　碳纖維是發(fā)展國防軍工與國民經(jīng)濟的重要戰(zhàn)略物資，屬于技術(shù)密集型的關(guān)鍵材料，隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸普及。在當(dāng)今世界高速工業(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化。中國已經(jīng)有使用長纖作為高性能纖維的一種，在要求高溫，物理穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復(fù)合材料具備不可替代的優(yōu)勢。材料的比強度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，正是由于兼具優(yōu)異性能，碳纖維在國防和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。

　　碳纖維碳材料已在軍事及民用工業(yè)的各個領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。從航天、航空、 汽車、 電子、 機械、化工、輕紡等民用工業(yè)到運動器材和休閑用品等。碳纖維增強的復(fù)合材料可以應(yīng)用于飛機制造等軍工領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電葉片等工業(yè)領(lǐng)域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等。球棒等體育領(lǐng)域。碳纖維是典型的高科技領(lǐng)域中的新型工業(yè)材料。

復(fù)合材料

　　碳纖維在傳統(tǒng)使用中除用作絕熱保溫材料外。 多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維已成為先進復(fù)合材料重要的增強材料。由于碳纖維復(fù)合材料具有輕而強、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)計性好、可大面積整體成型等特點，已在航空航天、國防軍工和民用工業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是制造先進復(fù)合材料重要的增強材料。

土木建筑

　　土木建筑領(lǐng)域：碳纖維也應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑物、鐵路公路橋梁、隧道、煙囪、塔結(jié)構(gòu)等的加固補強， 在鐵路建筑中，大型的頂部系統(tǒng)和隔音墻在未來會有很好的應(yīng)用，這些也將是碳纖維很有前景的應(yīng)用方面。具有密度小， 強度高， 耐久性好， 抗腐蝕能力強， 可耐酸、堿等化學(xué)品腐蝕， 柔韌性佳， 應(yīng)變能力強的特點。用碳纖維管制作的桁梁構(gòu)架屋頂， 比鋼材輕50%左右， 使大型結(jié)構(gòu)物達到了實用化的水平， 而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外， 碳纖維做補強混凝土結(jié)構(gòu)時， 不需要增加螺栓和鉚釘固定， 對原混凝土結(jié)構(gòu)擾動較小， 施工工藝簡便。

航空航天

　　碳纖維是火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機和艦船等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)動機殼體上，可大大減輕重量，提高導(dǎo)彈的射程和突擊能力，如美國80年代研制的洲際導(dǎo)彈三級殼體全都采用碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料在新一代戰(zhàn)斗機上也開始得到大量使用，如美國第四代戰(zhàn)斗機F22采用了約為24%的碳纖維復(fù)合材料，從而使該戰(zhàn)斗機具有高音速巡航、超視距作戰(zhàn)、高機動性和隱身等特性。美國波音推出新一代高速寬體客機的音速巡洋艦，約60%的結(jié)構(gòu)部件都將采用強化碳纖維塑料復(fù)合材料制成，其中包括機翼。中國自行研制的碳纖維復(fù)合材料剎車預(yù)制件性能達到國際水平。采用這一預(yù)制件技術(shù)所制備的的國產(chǎn)碳和碳剎車盤已批量裝備于國防型號的飛機，并在B757型民航飛機上使用，在其它機型上的使用也在實驗考核中，并將向坦克、高速列車、轎車、賽車等推廣使用。碳纖維比鋁輕但強度相似。碳纖維在艦艇上也有的應(yīng)用價值，可減輕艦艇的結(jié)構(gòu)重量，增加艦艇有效載荷，從而提高運送作戰(zhàn)物資的能力，碳纖維不存在腐蝕生銹的問題。由于使用碳纖維材料可以大幅降低結(jié)構(gòu)重量，因而可顯著提高燃料效率。采用碳纖維與塑料制成的復(fù)合材料制造的飛機以及衛(wèi)星、火箭等宇宙飛行器，噪音小，而且因質(zhì)量小而動力消耗少，可節(jié)約大量燃料。據(jù)報道，航天飛行器的質(zhì)量每減少1kg，就可使運載火箭減輕500千克。

　　碳纖維還是讓大型民用飛機、汽車、高速列車等現(xiàn)代交通工具實現(xiàn)“輕量化“的材料。航空應(yīng)用中對碳纖維的需求正在不斷增多，新一代大型民用客機空客A380和波音787使用了約為50%的碳纖維復(fù)合材料。波音777飛機利用碳纖維做結(jié)構(gòu)材料，包括水平和垂直的橫尾翼和橫梁稱為重要結(jié)構(gòu)材料，所以對其質(zhì)量要求苛刻。波音787的機身也采用碳纖維，這使飛機飛得更快，油耗更低，同時能增加客艙濕度，讓乘客更舒適?？湛鸵苍谒麄兊娘w機上使用了大量的碳纖維，碳纖維將被大量應(yīng)用在新型客機A380上。這使飛機機體的結(jié)構(gòu)重量減輕了20%，比同類飛機可節(jié)省20%的燃油，從而大幅降低了運行成本、減少二氧化碳排放。

汽車材料

　　碳纖維材料也成為汽車制造商青睞的材料，

　　在汽車內(nèi)外裝飾中開始大量采用。碳纖維作為汽車材料，優(yōu)點是質(zhì)量輕、強度大，重量僅相當(dāng)于鋼材的20%到30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。所以汽車制造采用碳纖維材料可以使汽車的輕量化，取得突破性進展，并帶來節(jié)省能源的社會效益。業(yè)界認為，碳纖維在汽車制造領(lǐng)域的使用量會變大。

　　中科院研發(fā)的一輛碳纖維小汽車主要在外殼上：在普通材質(zhì)的汽車引擎蓋上，榔頭用力敲擊，漆蓋上很有可能會有凹陷，而這輛車的車殼卻非常堅固，用力敲擊車蓋后會迅猛反彈，表面絲毫未損。研究人員表示采用碳纖維復(fù)合材料做的汽車，比起普通用鋼材制造的汽車的特點是輕和快。碳纖維汽車拋棄了傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)，大量采用碳纖維材料制成，比普通鋼材的汽車重量能減少60%。在同樣用油情況下，這輛車每小時可以多開50公里。

　　碳纖維雖然輕，但有較好的安全性，雖然碳纖維的看起來像塑料，但實際上這種材料抗沖擊性比鋼鐵強，特別是用碳纖維做成的方向盤，機械強度和抗沖性更高。在復(fù)合材料的配合下，碳纖維汽車成了家用車中的裝甲車。這種碳纖維材料已經(jīng)在高速列車的裙擺上應(yīng)用。

纖維加固

　　碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種。碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補的研究始于80年代美、日等發(fā)達國家。中國的這項技術(shù)起步很晚，但隨著中國經(jīng)濟建設(shè)和交通事業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)有建筑中有相當(dāng)一部分由于當(dāng)時設(shè)計荷載標準低造成歷史問題，一些建筑由于使用功能的改變，難以滿足當(dāng)前規(guī)范使用的需求，亟需進行維修、加固。常用的加固方法有很多，如：加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、碳纖維加固法等。碳纖維加固修補結(jié)構(gòu)技術(shù)是繼加大混凝土截面、粘鋼之后的又一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。

　　中國從1997年開始從國外引進碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究。成為了研究和工程應(yīng)用的熱點。國內(nèi)已有數(shù)十個高校和科研院所開展了此項研究工作，并取得了一批接近國際先進水平的研究成果。由于中國具有世界上為巨大的土木建筑市場，碳纖維加固建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將呈現(xiàn)不斷增長的的趨勢。

體育用品

　　碳纖維在運用在運動休閑領(lǐng)域中，像球桿、釣魚竿、網(wǎng)球拍羽毛球拍、自行車、滑雪杖、滑雪板、帆板桅桿、航海船體等運動用品都是碳纖維的主要用戶之一。碳纖維運用在日常用品，像音響、浴霸、取暖器等家用電器以及手機、筆記本電腦等電子產(chǎn)品也可以看到碳纖維的身影。

　　體育應(yīng)用中的三項重要應(yīng)用為球棒和球拍框架。據(jù)估計每年的球棒的產(chǎn)量為3400萬副。全世界40%的碳纖維球棒都是由碳纖維制成的。全世界碳纖維釣魚桿的產(chǎn)量約為每年2000萬副。網(wǎng)球拍框架的市場容量約為每年600萬副，其它的體育項目應(yīng)用還包括冰球棍、滑雪杖等。碳纖維還應(yīng)用在劃船、賽艇等其它海洋運動中。

來源：《揭秘未來100大潛力新材料（2019年版）》_新材料在線