納米級碳纖維誕生!材料界黑馬碳纖維一路走來受各界青睞

2019年11月18日，日本東麗公司宣布：該公司已經創造出世界上第一種具有納米級連續孔結構的多孔碳纖維。東麗公司將其出色的聚合物技術、碳纖維技術以及水處理技術和其他分離膜技術相結合，創造出了連續孔結構的多孔碳纖維。

她，被稱為貴族材料！價格不菲，一寸千金，她就是材料界的“黑馬”碳纖維。碳纖維兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，碳纖維是一種的力學性能優異的新材料。

關于碳纖維的起源最早可追溯到19世紀60年代。1860年，英國人斯旺將細長的繩狀紙片制取碳絲，并將其作為燈絲制造白熾燈，但使用壽命不長。后來斯旺將其專利賣給了美國發明家愛迪生，愛迪生通過改進，用纖維素紡絲后制成碳絲作為燈絲，制成了實用化的白熾燈，并在世界范圍內推廣，這是人類歷史上首次使用碳纖維絲。

早期的碳纖維沒有結構強度、易碎、實用性差，1910年，愛迪生使用鎢絲代替碳絲作為發光材料，使得白熾燈的使用壽命進一步延長。從此，人類歷史上首次商業化使用碳纖維的歷程暫時終止了，但是人們發現碳纖維密度小、強度高、耐氧化等特點是以往的材料所不能比擬的，因此人們不斷探索碳纖維的新用途，并用各種方法來制造碳纖維，然而，這些努力都未能把碳纖維性能提高到令人滿意的程度，所以一直沒有實用。

21世紀其復合材料主要是以碳纖維為增強材料，以樹脂，金屬、陶瓷等作為基體材料，經過復合制成的結構或功能材料。碳纖維由聚丙烯腈（PAN）（或瀝青、粘膠）等有機母體纖維采用高溫分解法在1000攝氏度以上高溫的惰性氣體下碳化（其結果是去除除碳以外絕大多數元素）制成的，是一種含碳量在95%以上的無機高分子纖維。

碳纖維 CFRP 的強度要明顯高于玻璃纖維 GFRP

碳纖維具有更高的強度，更輕的重量，所以說碳纖維可以稱為新材料之王。正因為這種優點，碳纖維增強復合材料（CFRP）在加工過程中，基體和纖維存在較為復雜的內部相互作用，使其物理特性與金屬有較大區別，CFRP密度遠小于金屬，而強度大于絕大部分金屬。

因為 CFRP 的不均勻性，在加工過程中往往會出現纖維拉出或基質纖維的脫離；CFRP 具有較高的耐熱性和耐磨性，使其在加工過程中對設備的要求較高，因此生產過程中產生大量切削熱對設備磨損較為嚴重。

現在由于碳纖維的應用領域不斷擴展，要求也越來越細膩，對材料適用性做出要求，對CFRP 的質量要求也越來越苛刻，也致使加工成本上浮。

現階段存在的關鍵技術難題

所有的復合材料包括炭纖維都有一個致命弱點----沒有一套標準的強度計算公式，各向異性嚴重。

碳纖維復合材料應用壁壘重重，作為先進復合材料中的一種，它無法像傳統金屬材料那樣被單一、整體性地利用（這也是其優勢所在），它必須根據實際應用需求不斷調整復合材料的組成與比例，在制品的制造和成型過程中，細節化的技術參數也對成品的各項性能產生重要影響。在碳纖維復合材料的各項性能中，耐高溫性可謂是世界性的難題。但是，它并非無法逾越。

碳纖維的制作

碳纖維板在固化成型后，為了精度要求或裝配需要，還要進行切削、鉆孔等后加工。在切削工藝參數、切割深度等相同條件下，選擇不同材料、尺寸、形狀的刀具和鉆頭，效果上有很大差異，與此同時，刀具和鉆頭的力度、方向、時間和溫度等因素也會影響到加工的結果。

后加工過程中，盡量選擇帶金剛石涂層的鋒利刀具和整體硬質合金的鉆頭，刀具和鉆頭本身的耐磨性決定了加工的質量和工具的使用壽命。如果刀具和鉆頭不夠鋒利或者使用不當，不僅會加速磨損，提高產品的加工成本，更會造成板材損傷，影響板材的形狀、尺寸以及板材上孔、槽等加工部位尺寸的穩定性，嚴重時會造成材料出現層狀撕裂，甚至是塊狀崩落，導致整塊板材的報廢。

在對碳纖維板材進行鉆孔時，轉速越快效果越好。鉆頭的選擇上，PCD8面刃鉆頭獨特的鉆尖設計較適合碳纖維板材，能更好地穿透碳纖維板材，降低分層的風險性。

對較厚的碳纖維板材進行切割時，建議采用左、右螺旋刃設計的雙刃壓迫式銑刀，這種鋒利的切削刃同時具有上切和下切的螺旋梢，切削時平衡刀具上下軸向力，確保將切削力合力指向材料的內側，以獲得穩定的切削條件，可抑制材料分層現象的產生。“菠蘿刃”鏤銑刀的上切、下切菱型刃設計也能有效切斷碳纖維板材，其較深的排屑槽在切削加工過程中能夠通過切屑的排出帶走大量的切削熱，避免損傷碳纖維板材的性能。（來源：直觀機械學）

搞碳纖維離不開紡織科技，可是國人在近二十年里對紡織科技和產業的誤解和輕視卻是極其嚴重的，因為很多人都認為紡織是夕陽行業，卻不理解任何產業都有高端和低端之分。反觀碳纖維技術，我們和日、美的差距巨大，這已嚴重制約了國家在航空、航天、國防、汽車和其他眾多工業領域的發展。

由于碳纖維及其復合材料優異的綜合性能及高附加值，是適應宇航、航空、原子能等尖端工業發展的需要而研制開發的一種新材料。碳纖維及碳纖維復合材料已在軍事及民用工業的各個領域取得廣泛應用，從航天、航空、汽車、電子、機械、化工、輕紡等民用工業到運動器材和休閑用品等。

碳纖維的回收利用

關于回收和環保的問題，國內已經有復合材料用的可降解樹脂，就是預浸布中的浸料，可回收后通過降解處理，重新利用纖維制作強度和剛性要求不是特別高的配件。但是由于碳纖維的特性，填埋一百年都不能降解，需要接近太陽的溫度才能火花。

碳纖維回收技術分為機械法、化學法以及熱解法三大類。目前這個全世界的研究還是很廣泛的，回收推進工作也是近幾年的熱點。

碳纖維的缺點

碳纖維材料還有一大缺點就是其可塑性差，發生碰撞后就無法修復。另外碳纖維復合材料的基體樹脂的耐久性不如金屬材料，時間久了就會出現發脆，變色等現象。復合材料透明性差，難以進行內部檢查。碳纖維材料對人力成本的需求大，加工生產效率不高，加工時需要進行復雜的應力計算。

工業級碳纖維的價格

目前工業級碳纖維價格一般為10-25美元/kg，以用于汽車工業的50k大絲束碳纖維落地價為例（圖2），不同國家生產成本不同，主要原材料和設備成本基本不變，能源、勞動力和其他成本成為影響產品價格差異的關鍵因素，總體而言，目前汽車行業用工業級碳纖維成本從大約15-17美元/公斤。

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