材料百态

今天，对于普通人而言，碳纤维已经是相当熟悉的材料了，尤其是在体育运动领域：碳纤维能够做成钓鱼竿、羽毛球拍、自行车架、跑鞋的底板……在很多领域，碳纤维都能替代钢铁发挥作用，体现出强大的新材料优势。

而在普通人不熟悉的军用领域，碳纤维也有不少应用，比如，据说伊朗生产的“雷霆”系列战术导弹的外壳，就已经用碳纤维复合材料代替了金属，从而减轻导弹自重，增加射程。

图源：Pixabay

在碳纤维的生产和应用方面，我国的发展也相当迅速，尤其是在工业领域上。坊间还有个段子，说某钓鱼竿厂家因为买不到碳纤维材料而被迫自研，最后意外用在了其他更重要的领域上。这到底是不是真的呢？

来，我们展开说一说。

01 碳纤维，为什么优秀？

碳纤维，准确地说，应该叫做碳纤维复合材料（CFRP），通常是以碳纤维或碳纳米管为骨架，衬以热固性塑料（比如，聚酯树脂甚至是造防弹衣的“凯夫拉”材料），再对两者加热、加压，使其紧密结合而成的。当然，就简称为“碳纤维”也没问题。

这类材料最大的特点，就是其强度和重量的比值极大：同等体积的碳纤维，重量只有钢铁的四分之一左右，其抗拉强度却是钢铁的几倍、十几倍。同时，碳纤维的化学性质很稳定，不会氧化生锈，也不怕高盐、潮湿、酸性的使用环境，不需要刷漆防锈，大大降低了零件、设备的维护成本。

此外，作为非金属材料，碳纤维材料的膨胀系数比钢铁小得多。这对于使用时温度变化较大（比如，需要高温加热或低温冷冻）的器件而言，就省去了考虑热胀冷缩给结构带来的影响问题。

这些优点，都让它成为工业材料的新宠。尤其是在对重量“斤斤计较”，对强度要求又很高的航空、航天领域，碳纤维有着宽广的应用前景。

02 缺点也有

然而，世间没有完美的材料，碳纤维也不例外。它最大的两个缺点，第一是贵，第二是裂得太干脆。

第一点很好理解：碳纤维的加工，涉及复杂的工艺，产能长期受限，其价格一直居高不下。而我国的钢铁产能，在世界上都是一骑绝尘的，所以钢铁的价格相当低廉（比如，螺纹钢的价格长期徘徊在4000元/吨附近，单价大致和白糖、辣椒差不多）。相比之下，碳纤维在价格上就完全没有竞争力了。

第二点，则是在碳纤维的应用中产生的固有缺点。钢铁很容易铸造、轧制为各种形状的板材、管材和线材，而碳纤维的成型相对就要复杂得多。多数时候，会将碳纤维纺织成“布”，再去压制成形，或是紧紧包裹在钢结构的外面，增加钢的强度。

然而，这种碳纤维织成的“布”一旦出现裂纹，很容易像其他布料一样，顺着纤维撕开，强度几乎归零。更麻烦的是，碳纤维的结构破坏，很可能没有先兆，而是在瞬间就发生了。

去年失事的“泰坦”深潜器，在深海里突然崩塌、内爆，就被怀疑是碳纤维的壳体出了问题。相比之下，钢结构的破坏，往往会有局部变形、开裂、异响等征兆，提醒使用者注意处置，相对安全一些。

当然，碳纤维复合材料，是一个年轻的领域，随着科学技术的发展，或许在不远的将来，能够找到克服这些缺点的方法，让它变得更加强大，在更广阔的领域发挥作用。

03 我们能造吗？

回到最开始的问题上，我国的碳纤维制造技术，真的是鱼竿厂老板研究出来的吗？

答案显然是否定的：那就是个段子嘛！

我国制造碳纤维的历程，最早是由师昌绪院士于2001年开启的。2005年，随着碳纤维的国际供应骤然收紧，国家加大了对研究的投入力度。从目前公开的报道来看，中国科学院山西煤炭化学研究所、中国科学院上海有机所、中国科学院长春应用化学研究所，分别承担了碳纤维制造的部分关键技术的研究任务。

经过坚持不懈的努力，我们用短短三年时间，走完了美国、日本十多年才完成的道路，最终在扬州的工厂里，实现了T300碳纤维的规模化生产，为我国的航天事业作出了重要的贡献。

可以说，碳纤维的研究攻关，涉及了多个领域，联合了多个单位，凝聚了许许多多的科研、技术和工程人员的心血，正是“集中力量办大事”的生动实践。

相信在不远的将来，碳纤维也会被中国的科研人员变成物美价廉的材料。把“工业皇冠上的明珠”变成白菜价，正是我们最擅长的事嘛！

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