1.碳纤维结构
用x射线、电子衍射和电子显微镜研究了真实的碳纤维结构。发现碳纤维属于无序石墨结构，基本元素是六方碳原子的层状晶格，层状晶格形成层状平面。层平面中的碳原子通过强共价键连接，键长为0.1421nm；各层之间通过弱范德华力连接，层间距在0.3360-0.3440nm之间。层与层之间没有规律的固定碳原子位置，所以层的边缘是不平整的。碳纤维的结构图2.碳纤维特性
碳纤维是一种纤维状碳材料，由有机纤维前驱体经过1000℃以上的高温碳化而成，含碳量在90%以上。碳纤维主要有以下特点:①密度低，重量轻。碳纤维的密度为1.5~2 g/cm3，相当于钢的1/4，铝合金的1/2。
②强度和弹性模量高，其强度比钢大4~5倍，弹性回复率100%；
(3)热膨胀系数小，导热系数随温度升高而降低，耐急冷急热，即使从几千摄氏度的高温骤降至常温也不会爆裂；
④摩擦系数小，润滑性好；
⑤良好的导电性，高模量碳纤维在25℃时的电阻率为775μ；& Psi/cm，对于高强度碳纤维为1500μ；& Psi/cm；
⑥良好的耐高低温性能，在非氧化气氛中3000℃不熔化或软化，在液氮温度下仍很柔软不脆化；
⑦耐酸性好，对酸呈惰性，耐浓盐酸、磷酸、硫酸腐蚀。此外，碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗辐射、吸收有毒气体、中子减速等特性。
3.碳纤维的主要分类
碳纤维可以从以下两个方面进行分类:(1)根据碳纤维的力学性能，可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度四种；
(2)按原丝类型可分为聚丙烯腈基碳纤维、纤维素基碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维等。
3.1聚丙烯腈基碳纤维
聚丙烯腈基碳纤维是由聚丙烯腈经纺丝、预氧化和碳化而成。聚丙烯腈基碳纤维具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、电性能优异、压缩和弯曲性能强等特点，在增强复合材料中一直保持着主导地位。目前，聚丙烯腈基碳纤维仍是碳纤维市场的主流。
主要应用领域有:航空航天工业、地面交通，如汽车、赛车、特快列车、造船工业、码头和海上设施、体育用品和休闲用品、电子产品、基础设施、造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油和机械工业等。，要求零件具有高强度、高刚度、重量轻、重量轻。
3.2粘胶基碳纤维
粘胶基碳纤维是以纤维素为主要成分的粘胶纤维经脱水、热解、碳化制成的。粘胶基碳纤维的三维石墨结构不发达，导热系数小；石墨层间距大，石墨微晶取向度低，是一种理想的耐烧蚀、隔热和热防护材料。同时，粘胶基碳纤维由天然纤维素木材或棉絮转化而成，与生物体具有优良的生物相容性，可作为良好的环保和医疗卫生材料。
由于粘胶基碳纤维生产流程长，工艺条件苛刻，不适合大规模生产，成本高；此外，粘胶基碳纤维的整体性能指标比PAN基碳纤维差，综合性价比在竞争中处于劣势。因此，从20世纪60年代开始，其生产规模逐渐萎缩，目前产量不到世界碳纤维产量的1%。
3.3沥青基碳纤维
沥青基碳纤维是由石油沥青或煤沥青经提炼、纺丝、预氧化、碳化或石墨化制成的。沥青基碳纤维的原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维，但沥青基碳纤维由于生产工艺复杂，生产成本大大增加。此外，沥青基碳纤维的抗压强度相对较低，后续加工性能不如聚丙烯腈基碳纤维，因此其生产规模和应用领域受到一定限制。但沥青基碳纤维具有优异的传热、导电性能和极低的热膨胀系数，因此在必须要求这些性能的军事和航空航天领域仍然发挥着独特的作用。
3.4酚醛碳纤维
酚醛碳纤维具有优异的阻燃性和绝缘性；可在宽松的条件下炭化，加工工艺简单，炭化时间短，温度低，炭化率高，手感柔软，但强度和模量较低。酚醛碳纤维主要用于碳纸原料、耐腐蚀电线，以及用于制造耐热、耐化学、无毒、无尘等特种服装。
4碳纤维增强复合材料
虽然碳纤维可以单独使用发挥一些功能，但它是一种脆性材料。只有与基材牢固结合，才能利用其优良的力学性能更好地承受载荷。因此，碳纤维在复合材料中主要用作增强材料。根据不同的用途，可以选择不同的基体材料和复合方法，以达到所需的复合效果。碳纤维可用于增强树脂、碳、金属和各种无机陶瓷。目前，树脂基复合材料应用最为广泛。4.1碳纤维复合材料的优点(CFRP):
(1)高比强度和比模量:CFRP的比强度和比模量是钢的5倍。
(2)低密度高强度:CFRP的密度约为其他金属材料的0.5倍。高性能CFRP的强度可以达到钢铁的十倍以上。
(3)良好的抗疲劳性能:CFRP的疲劳极限为抗拉强度的70% ~ 80%，远高于一般金属的40% ~ 50%。
(4)良好的抗震性能:CFRP的基体纤维界面能吸收较大的振动能量，因此具有良好的抗震性能。
(5)可设计性强:CFRP是各向异性的，可以通过改变各铺层的方向和层数来满足强度、刚度和各种特殊要求。
(6)良好的高温性能:CFRP在400℃时强度和弹性模量几乎不变，而铝合金在400℃时强度显著下降，弹性模量几乎降至零。
(7)成型性好:易于大面积整体成型。
4.2碳纤维增强陶瓷基复合材料
陶瓷具有优异的耐腐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性，广泛应用于工业和民用产品。但其致命弱点是脆性大，对裂纹、气孔、夹杂等细微缺陷敏感。碳纤维增强陶瓷能有效提高韧性，改变陶瓷的脆性断裂形貌，阻止陶瓷基体中裂纹的快速传播和扩展。
目前国内外成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料。由于其优异的高温力学性能，不需要额外的隔热措施即可在高温下服役，因此广泛应用于航空空发动机、可重复使用航天器等领域。
4.3碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称，也是一种先进复合材料。由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料制成。碳/碳复合材料主要由各种碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由纯碳制成、手工设计的复合材料具有许多优异的性能，包括高强度、高刚度、尺寸稳定性、抗氧化性和耐磨性，以及高断裂韧性和假塑性。特别是在高温环境下，强度高，不熔不燃，只有均匀烧蚀。这是任何金属材料都无法比拟的。因此广泛应用于导弹弹头、固体火箭发动机喷管、飞机刹车盘等高科技领域。
4.4碳纤维增强金属基复合材料
碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维，金属为基体的复合材料。与金属材料相比，碳纤维增强金属基复合材料具有更高的比强度和比模量。与陶瓷相比，具有较高的韧性和抗冲击性。铝、镁、镍、钛及其合金用作金属基体。其中，碳纤维增强铝镁复合材料的制备技术相对成熟。
制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面包覆，以防止碳纤维在复合过程中受到损伤，从而降低复合材料的整体性能。目前，在制备碳纤维增强金属基复合材料时，碳纤维的表面改性主要采用气相沉积法、液钠法等。但其工艺复杂、成本高，限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。
4.5碳纤维增强树脂复合材料
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一。由于其质轻、强度高、耐高温、耐腐蚀以及优良的热力学性能，被广泛用作结构材料和耐高温耐烧蚀材料，是其他纤维增强复合材料无法比拟的。
CFRP具有重量轻、强度高的优点，广泛应用于航天领域，如航天舱门、仿生机械臂、压力容器等。随着航空空制造技术的不断发展，碳纤维增强树脂基复合材料大量应用于先进民用飞机的结构中。主要部件有:整流罩、副翼、发动机罩、阻力板、扰流板、起落架舱门、水平和垂直尾翼、方向舵等主副承力结构等。在民用领域，碳纤维增强树脂基复合材料的应用也在不断扩大，如汽车结构件、风力发电机叶片、运动器材等。
5.碳纤维复合材料的市场现状
碳纤维增强聚合物(CFRP)于20世纪40年代和50年代问世，首先在美国制造。1950年，在美军空军事基地，人们首次在2 000℃的高温下通过提拉人造丝制备出CFRP，随后CFRP进入了快速发展时期。1959年，美国联合碳化物公司以粘胶纤维为前驱制成纤维素基CFRP；1969年，日本东丽公司成功开发出高比强度、高比模量的碳纤维。世界上碳纤维的生产一直由美国和日本主导。目前，东丽、东邦和三菱丽阳三家日本公司占据了世界高性能军用碳纤维生产份额的70%以上。(1)我国碳纤维实际产量低于恒能。
据宝钢集团宝启新能源控股首席技术官宋廷瑞介绍，碳纤维的产量其实很低，相当于钢和铝合金。从上图可以看出，2014年全球碳纤维总量约为40万吨，我国目前实际产能近万吨，但实际产量只有3000多吨。所以基本上国内碳纤维的现状是实际产量远远低于产能。(2)全球碳纤维市场需求巨大。根据美国复合材料预测咨询公司2015年做出的一份详细预测，全球对碳纤维的需求与日俱增。全球碳纤维市场分为消费品和运动休闲，航空空航天和工业。其中，行业包括汽车风电等其他特定需求。
受益于美国液化气钢瓶的增长和海上风电的大规模开发，特别是应对新能源汽车和传统汽车的轻量化要求，汽车工厂的汽车工业对碳纤维的需求其实是非常大的。预计2022年全球对碳纤维的需求可能达到13万吨。如下说。
6。碳纤维复合材料用于小型飞机。
国内首款全碳纤维复合材料结构的五座飞机中国首架全碳纤维复合材料结构五座飞机。
(1)更高的比强度和比刚度:与其他复合材料相比，在满足相同的飞机机体强度和刚度的前提下，碳纤维复合材料高比强度和比刚度的特性可以大大降低飞机机体的重量和载荷成本，对结构的轻量化、小型化和高性能化具有重要意义，从而保证飞机尤其是无人机具有更长的飞行距离和飞行时间。
(2)可整体成型:小型机往往需要具有高度翼身一体化的飞翼式整体气动外形，在结构上需要采用大面积整体成型技术。碳纤维复合材料不仅可以通过模压、釜外固化或RTM树脂传递模塑大面积整体成型，还可以引入汽车生产线生产过程，提高效率，大大降低制造成本，非常适合小型机的大规模制造。
(3)良好的耐蚀性和耐热性:碳纤维复合材料还具有优异的耐蚀性和耐热性，能承受自然界中水和各种介质的腐蚀以及热膨胀的影响，能满足飞机在各种环境条件下长贮存寿命的特殊要求，降低使用和维护的全寿命周期成本。
(4)可植入芯片或合金导体:也可将碳纤维复合材料植入芯片或合金导体中，形成智能整体结构，可在恶劣环境中长期使用而不损害植入设备的性能，并能可靠地执行特殊任务。
7.碳纤维复合材料用于汽车轻量化。
通用汽车全球R&D总监认为，未来汽车发展将呈现四个方向:轻量化、电气化、智能化和网络化。以上是电动车的四个基本点，尤其是自动驾驶和智能电动车。汽车轻量化中使用的复合材料，尤其是先进复合材料，是指碳纤维等高性能纤维增强的复合材料。宝马和大众都曾预测，2022年碳纤维产品的成本将与铝合金持平，而碳纤维复合材料，尤其是其可设计性和模块化，将极大或完全颠覆整个汽车制造格局，从而彻底颠覆现有的汽车产业格局。
随着我国碳纤维生产和复合材料制备技术的进一步发展，碳纤维及其复合材料在建筑、交通、化工等民用领域的应用前景广阔。用碳纤维复合材料代替传统的金属材料制作建筑物的横梁和抗震结构，加固、修复或加固桥梁，制作油田勘探开采设备、平台、油气储罐等，将是非常有前途的。，其在航空空航天和军事领域的应用将得到极大的发展。 
