碳纤维的世界竟是如此神奇！

一、复杂的工艺流程

    碳纤维也可以被称为“复合材料”，是指两种或两种以上的物质以一种特殊的方式结合起来的材料。它常常综合了组成材料的优良性质。在通用电气研究中心时，我们在复合材料制备实验室中呆了很长的时间，见识了里面数不清的复合材料，从玻璃到金属，应有尽有。不过，接下来我将主要介绍碳纤维。
 
    碳纤维是一种非常精巧的材料，具有非常卓越的性能。在同等尺寸大小下，碳纤维往往比金属的硬度更强，密度更小，这就是为什么碳纤维常常被用于车体外板和喷射式涡轮当中的原因。硬度这个性质其实包括了很多衡量指标。具体来说，碳纤维的抗张强度（即对抗拉伸的能力）是钢的4倍，铝的8倍。而它抗弯曲的能力也比钢材和铝材大得多。并且，尽管碳纤维强度很大，但是它的质量却并不重，相反地，碳纤维的质量只有同体积钢的三分之一。

    碳纤维的优异性能得益于它的组成物和制备时添加的胶或环氧树脂，碳纤维是由处理过的碳素长丝制成的，碳丝的厚度比人的头发还要细。制备时添加的环氧树脂能够让各种材料充分混合，并“硬化”。碳纤维的制备方法大同小异，都需要经过上述的“原丝制备和上浆”过程。
 
    通常，在制备碳纤维时，你需要用到一个模具，用来放置碳纤维。在慕尼黑，我们见到的是机器人将碳纤维沿着一块大塑料板放置。但同样也存在非机械的人工放置碳纤维的处理方法。
下图1为通用研究中心的马赛厄斯·梅斯默（右）站在碳纤维自动放置机器人前。

图1

    没有添加树脂的原丝还称不上是碳纤维。我们在慕尼黑的实验室看到，碳纤维自动放置机械会将碳纤维浸泡在环氧树脂中，并用使之成型。长线轴中的原丝是被冷处理过的，为了防止树脂固化，而当这些原丝被放置在模具表面上时，机械会瞬间加热它，让它马上固化。
 
    添加树脂的方式是多种多样的。赛车和碳布片材中的高强度碳纤维就是用注射的方法来加入树脂的。有的时候，会用刷子给碳纤维涂上一层树脂，然后再放入模具。
 
    在经过原丝制备、上浆处理后，等到碳纤维固化了，产品就真正做好了。固化过程常常用到的方法是加热，不过有的环氧树脂在室温下的固化效果更好，或者将环氧树脂放在真空中加压。固化现象跟一般的固化过程类似，只不过这里的树脂起到的作用是让碳纤维更好的硬化。此外，碳纤维在固化过程中可能会发生化学反应，生成原丝材料中不含碳的物质，导致纤维颗粒之间的团聚作用力更加强。这样，最后得到的就是我们所说的“碳纤维”了，呈黑色，看起来就像一块布，不过它非常的坚硬。
    以下为用碳纤维材料制成的涡轮组件，后面是未上浆的碳纤维线。如图2所示。

图2

二、为什么是“碳”纤维

    复合材料常常是能用一系列不同的材料合成的，在慕尼黑实验室中也能见到不少，但碳纤维往往在需要刚度和轻质的地方却是无可替代的。这可能是因为碳原子的特性，科学研究表明碳原子非常容易和其他原子成键。

    碳元素是一种非常有意思的元素，自然界中最坚硬的东西（金刚石）是碳单质，硬度最低的物质之一（石墨）也是碳单质。一般来说，用碳制备的材料和用其他单质制得的材料物性一样，都跟原子/分子成键的方式以及原子/分子团聚的方式有关。在这里，我们不谈太高深的化学知识，仅做简单类比：碳原子的成键方式是多种多样的，就像六面都有双头螺钉的乐高积木一样，成键选择非常的多。

    碳原子间的成键方式决定了材料的性质。对石墨材料，碳原子是一层层堆积的，同一平面上的碳原子间所成的键非常强，但平面间的碳原子所成的键比较弱，这使得石墨材料非常容易分离(也使得石墨导电性能非常好）。而对于金刚石，碳原子成的键是三维的，晶胞属于四方晶格，尽管单个键的键能比石墨的键能要低，但是它所有方向的键能都是相同的（表面原子除外），因此材料整体显得坚硬得多。
    石墨中两个相邻的面，表明石墨的晶胞属于六方晶系，如图3所示。

图3

    碳纤维材料极大地利用了碳原子的成键特性。碳纤维的原丝制备使用的原材料中，最常用的是聚丙烯氰纤维，即“PAN”，由C、H、N三种元素组成。得到的原丝非常的细，一般不到10微米厚。原料中的碳原子结构类似石墨分子，并会在处理过程中变为牢固的六方结构。
 
    成千上万的碳纤维“线”缠绕在一起就变成了碳纤维“绳”，看起来就跟布纺织中用的线一样。将碳纤维线卷绕在一个绕线轮上，接下来将其浸泡在环氧树脂中或用固化剂处理，根据需求调整所用的方式。

三、织布机上开出的“碳纤维之花”

    碳纤维的布状纹理和结构决定了它无法轻易成型，而成型是制备过程中必须经过的一步。通常情况下，碳纤维是被织布机“纺织”成型的。也就是说，碳纤维的成型过程就跟棉线纺织成布是一样的。
 
    不过除了这种纺织成型的方式外，还有一种利用模具成型的方式。不像我们在通用研究中心的所看到的，这种方法并不需要用自动化传感机器人来抹浆成型，它是先准备一个模具，并在其中放入大量的碳纤维，压制成型的。对于这两种方法，理论上都是可行的，实际操作中选用哪种要对材料的要求，毕竟，使用不同方法成型得到的碳纤维材料的物性是有区别的。
 
    碳纤维“布”通常都会有特殊的纹理和图案，这些导致了布本身的性质有差异。对某种特定的布，它可能在水平和竖直方向上的抗拉强度都不错，但在对角线放上却很容易发生形变。不同的碳纤维布会在不同的轴方向上体现出抗拉性，但总有一个方向的抗拉强度并不高。
    不同的碳纤维布样品，中间部分就是碳纤维。可以看出它们的纹理各有不同。如图4所示。

图4

    当然，完全成型的碳纤维在任何方向上的抗拉强度都是很大的。通常，会将不同纹理的碳纤维布叠在一起成型，这样一来，得到的产物就在各个方向上都能达到预期的抗压强度，让整个碳纤维都显得很坚硬。
 
    正如我们先前提到的，抹浆成型过程所使用的方法有很多。你可以选择用“织布机”将碳纤维线织成各种形状，或是用自动化机械内置的红外灯加热碳纤维线成型，甚至可以用手糊成型，人工地将环氧树脂和其他高分子与碳纤维混合起来。理论上，这些方法得到的产品应该具有一样的性质，固化后，你都将得到刚度比同体积的刚和铝更高的轻质复合材料。

    碳纤维材料也有一个缺点，那就是它的脆性可能很大。尽管碳纤维的强度很高，但是它的晶格结构比刚和铝更容易破碎。

四、为什么不用碳纤维制造所有东西呢？

    这是一个很有意思的问题，既然碳纤维的性能这么优异，那为什么不将碳纤维应用在方方面面呢？比如，制造碳纤维椅子，或者碳纤维机箱，甚至说百分百碳纤维的汽车或是房子什么的，那么为什么不能这么做呢？
 
    问题的答案非常明显，跟成本有关。碳纤维的制备工艺决定它并不能像其他化工产品一样大量生产，它的工艺流程非常的复杂（包括原丝制备，上浆，固化）。除此之外，碳纤维制备使用的原料也并不便宜。
 
    所以，这并不是碳纤维材料的问题，只要负担得起高昂的成本，你可以用碳纤维制造任何你想要的物品。比如买自行车，只要你愿意付比铝材自行车多3到10倍的价钱，那么你当然可以拥有一辆碳纤维自行车。在进口车辆中，碳纤维材料非常的常见，甚至一些非常平价的车，比如雪佛兰科尔维特，也使用了碳纤维材料，只要不在意价钱，你能为你的爱车买到各种碳纤维组件，也能为你自己买到各种碳纤维生活用品。或许你会问，有使用碳纤维材料的高尔夫球杆吗?答案是肯定的，甚至大部分高尔夫球员所使用的球杆都是碳纤维的，毕竟职业球员是舍得花这份钱的。
 
    实际上，碳纤维是一种非常流行的组件材料，尤其是在自动化领域。挂件，把手，甚至是冲嵌设备，都是可以用碳纤维来制造。碳纤维的纹理看起来就跟布一样，但摸起来又觉得它非常的坚硬(尽管在很多场合，它都是用透明塑料包裹起来了的)。
 
    在高科技领域—特别是航天领域—碳纤维的性价比是非常高的。最新的空客和波音飞机（波音787和空客A350）在生产时都将使用大量的碳纤维材料，在慕尼黑通用研究中心中，我们就看到了用碳纤维材料制造的扇涡轮片，它可用于飞机的引擎当中。碳纤维卓越的性能，轻质、强度高，完全抵消了制造成本高的瑕疵。波音公司在787的生产过程中发现，通常碳纤维材料并不像金属材料一样会出现焊接纹或裂纹，而在42架等待交付的飞机的翼板上却发现碳纤维材料出现了应力破裂，因而不得不返工，原因显示在缝隙间没有填充垫片，导致应力过大。看来新材料的应用也是一项很有挑战性的工作。
    碳纤维装配架是冷冻贮存着浸泡过环氧树脂的碳纤维，将在另一个房间的机器人手中固化成型。如图5所示。

图5

五、碳纤维的应用场景 
    复杂的工艺流程和高昂的成本其实也算不上大问题，技术不断向前发展，碳纤维材料也将在更多的领域找到自己的用武之地，事实上，这也是通用研究中心的科学家们正在进行的工作—简化制备工艺，设计自动化生产线，为碳纤维找到更多的应用场合。