漫话碳纤维

碳纤维为束丝状纤维，一束碳纤维往往由成千上万根单丝组成，碳纤维单丝直径与人毛发直径对比如图1所示，一般人毛发直径为50-100 μm，而碳纤维直径为5-10 μm，仅仅为毛发直径的1/10。

▲图1 碳纤维单丝直径与毛发直径对比

虽然碳纤维直径小，但是碳纤维力学性能优异，其比强度和比模量是金属钢的数倍，甚至也远远高于钛合金和铝合金（图2），因此，碳纤维可以在保证结构件具有高性能同时，又可以大幅降低结构件的重量。

▲图2 碳纤维比强度、比模量与金属材料对比

国外公司使用碳纤维材料加工制造了轻量化汽车，其主体框架结构由两名成人轻而易举便抬起来（图3），碳纤维轻量化效果凸显。

▲图3 碳纤维轻量化汽车框架结构

目前碳纤维已经在轻量化汽车领域获得广泛应用，如图4所示，汽车车顶、前后扰流板、行李箱盖框架、发动机盖等均由碳纤维增强热塑性复合材料制造，质量轻、刚度大、外观美观；汽车车门等采用碳纤维增强热固性复合材料制造质量轻、冲击能量吸收率高。

▲图4 碳纤维在汽车轻量化领域应用广阔

德国奥迪公司使用纯碳纤维打造的自行车重量仅仅为5kg，一名儿童也可以将其举起来（图3），毫不避讳的讲，碳纤维轻量化应用已经逐渐扩展到我们生活中的方方面面。

▲图5 碳纤维自行车

然而，碳纤维之所以成为全球热点材料，还是因为其在航空航天等高端领域的应用。如欧洲空客公司A350碳纤维复合材料的用量达到53%，而美国第四代战机F-22战机、F-35战机碳纤维复合材料比重分别为24%、36%。

▲图6 碳纤维在民用和军用飞机领域的应用

此外碳纤维应广泛用于战略导弹，上世纪60年代美国开发“北极星”导弹壳体采用玻璃纤维复合材料后，射程从2200千米增至4600千米。而上世纪80年代研发的三叉戟II潜射导弹改用碳纤维复合材料后（图7），射程进一步提升至1.2万千米，命中精度达90米，成为美军战略威慑力量的中坚。

▲图7 美国三叉戟潜射导弹

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