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今天，對(duì)于普通人而言，碳纖維已經(jīng)是相當(dāng)熟悉的材料了，尤其是在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域：碳纖維能夠做成釣魚竿、羽毛球拍、自行車架、跑鞋的底板……在很多領(lǐng)域，碳纖維都能替代鋼鐵發(fā)揮作用，體現(xiàn)出強(qiáng)大的新材料優(yōu)勢(shì)。

而在普通人不熟悉的軍用領(lǐng)域，碳纖維也有不少應(yīng)用，比如，據(jù)說伊朗生產(chǎn)的“雷霆”系列戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的外殼，就已經(jīng)用碳纖維復(fù)合材料代替了金屬，從而減輕導(dǎo)彈自重，增加射程。

圖源：Pixabay

在碳纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用方面，我國的發(fā)展也相當(dāng)迅速，尤其是在工業(yè)領(lǐng)域上。坊間還有個(gè)段子，說某釣魚竿廠家因?yàn)橘I不到碳纖維材料而被迫自研，最后意外用在了其他更重要的領(lǐng)域上。這到底是不是真的呢？

來，我們展開說一說。

01 碳纖維，為什么優(yōu)秀？

碳纖維，準(zhǔn)確地說，應(yīng)該叫做碳纖維復(fù)合材料（CFRP），通常是以碳纖維或碳納米管為骨架，襯以熱固性塑料（比如，聚酯樹脂甚至是造防彈衣的“凱夫拉”材料），再對(duì)兩者加熱、加壓，使其緊密結(jié)合而成的。當(dāng)然，就簡稱為“碳纖維”也沒問題。

這類材料最大的特點(diǎn)，就是其強(qiáng)度和重量的比值極大：同等體積的碳纖維，重量只有鋼鐵的四分之一左右，其抗拉強(qiáng)度卻是鋼鐵的幾倍、十幾倍。同時(shí)，碳纖維的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，不會(huì)氧化生銹，也不怕高鹽、潮濕、酸性的使用環(huán)境，不需要刷漆防銹，大大降低了零件、設(shè)備的維護(hù)成本。

此外，作為非金屬材料，碳纖維材料的膨脹系數(shù)比鋼鐵小得多。這對(duì)于使用時(shí)溫度變化較大（比如，需要高溫加熱或低溫冷凍）的器件而言，就省去了考慮熱脹冷縮給結(jié)構(gòu)帶來的影響問題。

這些優(yōu)點(diǎn)，都讓它成為工業(yè)材料的新寵。尤其是在對(duì)重量“斤斤計(jì)較”，對(duì)強(qiáng)度要求又很高的航空、航天領(lǐng)域，碳纖維有著寬廣的應(yīng)用前景。

02 缺點(diǎn)也有

然而，世間沒有完美的材料，碳纖維也不例外。它最大的兩個(gè)缺點(diǎn)，第一是貴，第二是裂得太干脆。

第一點(diǎn)很好理解：碳纖維的加工，涉及復(fù)雜的工藝，產(chǎn)能長期受限，其價(jià)格一直居高不下。而我國的鋼鐵產(chǎn)能，在世界上都是一騎絕塵的，所以鋼鐵的價(jià)格相當(dāng)?shù)土ū热?，螺紋鋼的價(jià)格長期徘徊在4000元/噸附近，單價(jià)大致和白糖、辣椒差不多）。相比之下，碳纖維在價(jià)格上就完全沒有競(jìng)爭力了。

第二點(diǎn)，則是在碳纖維的應(yīng)用中產(chǎn)生的固有缺點(diǎn)。鋼鐵很容易鑄造、軋制為各種形狀的板材、管材和線材，而碳纖維的成型相對(duì)就要復(fù)雜得多。多數(shù)時(shí)候，會(huì)將碳纖維紡織成“布”，再去壓制成形，或是緊緊包裹在鋼結(jié)構(gòu)的外面，增加鋼的強(qiáng)度。

然而，這種碳纖維織成的“布”一旦出現(xiàn)裂紋，很容易像其他布料一樣，順著纖維撕開，強(qiáng)度幾乎歸零。更麻煩的是，碳纖維的結(jié)構(gòu)破壞，很可能沒有先兆，而是在瞬間就發(fā)生了。

去年失事的“泰坦”深潛器，在深海里突然崩塌、內(nèi)爆，就被懷疑是碳纖維的殼體出了問題。相比之下，鋼結(jié)構(gòu)的破壞，往往會(huì)有局部變形、開裂、異響等征兆，提醒使用者注意處置，相對(duì)安全一些。

當(dāng)然，碳纖維復(fù)合材料，是一個(gè)年輕的領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，或許在不遠(yuǎn)的將來，能夠找到克服這些缺點(diǎn)的方法，讓它變得更加強(qiáng)大，在更廣闊的領(lǐng)域發(fā)揮作用。

03 我們能造嗎？

回到最開始的問題上，我國的碳纖維制造技術(shù)，真的是魚竿廠老板研究出來的嗎？

答案顯然是否定的：那就是個(gè)段子嘛！

我國制造碳纖維的歷程，最早是由師昌緒院士于2001年開啟的。2005年，隨著碳纖維的國際供應(yīng)驟然收緊，國家加大了對(duì)研究的投入力度。從目前公開的報(bào)道來看，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所、中國科學(xué)院上海有機(jī)所、中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所，分別承擔(dān)了碳纖維制造的部分關(guān)鍵技術(shù)的研究任務(wù)。

經(jīng)過堅(jiān)持不懈的努力，我們用短短三年時(shí)間，走完了美國、日本十多年才完成的道路，最終在揚(yáng)州的工廠里，實(shí)現(xiàn)了T300碳纖維的規(guī)模化生產(chǎn)，為我國的航天事業(yè)作出了重要的貢獻(xiàn)。

可以說，碳纖維的研究攻關(guān)，涉及了多個(gè)領(lǐng)域，聯(lián)合了多個(gè)單位，凝聚了許許多多的科研、技術(shù)和工程人員的心血，正是“集中力量辦大事”的生動(dòng)實(shí)踐。

相信在不遠(yuǎn)的將來，碳纖維也會(huì)被中國的科研人員變成物美價(jià)廉的材料。把“工業(yè)皇冠上的明珠”變成白菜價(jià)，正是我們最擅長的事嘛！

供稿單位：重慶科技館

作者：饅頭老妖，科普作家，南京大學(xué)化學(xué)博士。

審核專家：黃河、李春藜、徐曉萍

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