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碳纖維是直徑約5-10微米的纖維，主要由碳原子組成。碳纖維具有剛度高、抗拉強(qiáng)度高、重量輕、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、熱膨脹小等優(yōu)點(diǎn)。這些特性使得碳纖維在航空航天、土木工程、賽車運(yùn)動(dòng)以及其他競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中非常受歡迎。但是，與玻璃纖維或其他塑料纖維等類似纖維相比，它們相對(duì)昂貴。

01 碳纖維的分類

按照前驅(qū)體纖維類型，碳纖維可以分為：

聚丙烯腈（PAN）基碳纖維

瀝青基碳纖維黏膠基碳纖維

其他類型碳纖維（如木質(zhì)素基碳纖維、聚丙烯基碳纖維等等）

按照纖維力學(xué)性能（拉伸模量），碳纖維可以分為

超高模量碳纖維（Ultra-high-modulus，UHM，模量＞500GPa）

高模量碳纖維（high-modulus，HM，模量350-500GPa）

中等模量碳纖維（Intermediate-modulus，IM，模量250-300GPa）

標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維（Standard-modulus,模量230-250GPa）

低模量碳纖維（Low modulus，LM，模量<100Gpa，抗拉強(qiáng)度>3.0Gpa）

根據(jù)最終熱處理溫度，碳纖維分為：

I型，高熱處理碳纖維（high-heat-treatment，HTT），最終熱處理溫度在2000°C以上，可與高模量型碳纖維相關(guān)聯(lián)

II 型，中間熱處理碳纖維 (intermediate-heat-treatment，IHT)，最終熱處理溫度在 1500°C 左右或以上，可以與高強(qiáng)度型碳纖維相關(guān)聯(lián)

III 型，低熱處理碳纖維，最終熱處理溫度不超過(guò) 1000°C。這些是低模量和低強(qiáng)度碳纖維材料。

02 碳纖維的特性

具有高強(qiáng)度重量比（也稱為比強(qiáng)度）：材料的強(qiáng)度是失效時(shí)每單位面積的力除以其密度。任何堅(jiān)固且輕便的材料都具有良好的比強(qiáng)度，如鋁、鈦、鎂、碳纖維、玻璃纖維、高強(qiáng)度鋼合金等。

非常堅(jiān)硬：材料的剛性或剛度通過(guò)其楊氏模量（拉伸模量）來(lái)衡量，來(lái)反映材料在應(yīng)力下的撓曲程度。碳纖維增強(qiáng)塑料的硬度是玻璃纖維增強(qiáng)塑料的 4 倍以上，幾乎是松木的 20 倍，是鋁的 2.5 倍。 

耐腐蝕且化學(xué)穩(wěn)定：雖然碳纖維本身不會(huì)變質(zhì)，但環(huán)氧樹脂對(duì)陽(yáng)光很敏感，需要加以保護(hù)。

抗疲勞性好：碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞性很好，測(cè)試表明，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力與纖維取向一致時(shí)，失效不太可能成為問(wèn)題。碳纖維在疲勞強(qiáng)度和靜態(tài)強(qiáng)度以及剛度方面均優(yōu)于 E 玻璃。

耐火/不可燃：根據(jù)制造工藝和前驅(qū)體材料，碳纖維可以非常柔軟，可以制成或更經(jīng)常集成到消防防護(hù)服中。因?yàn)樘祭w維在化學(xué)上也是非常惰性的，它可以在有火與腐蝕劑結(jié)合的地方使用。

熱膨脹系數(shù)低：這是衡量材料在溫度升高或降低時(shí)膨脹和收縮的程度。低熱膨脹系數(shù)使碳纖維適用于至關(guān)重要的應(yīng)用。如望遠(yuǎn)鏡和其他光學(xué)機(jī)械。

無(wú)毒、生物惰性、可透過(guò) X 射線：這些特點(diǎn)使碳纖維可用于醫(yī)療應(yīng)用。假肢使用、植入物和肌腱修復(fù)、X 射線附件手術(shù)器械都在開發(fā)中。

碳纖維主要劣勢(shì)在于：盡管它提供了強(qiáng)度、剛性和輕量化的特殊優(yōu)勢(shì)，但成本是一個(gè)不利因素。此外，由于纖維層與層之間由強(qiáng)共價(jià)鍵形成，片狀聚集體很容易使裂紋擴(kuò)展，因此碳纖維很脆，當(dāng)纖維彎曲時(shí)，它們會(huì)在非常低的應(yīng)變下失效。

03 碳纖維的特性應(yīng)用

（主要參考：Carbon Fibres: Production, Properties and Potential Use）