顾名思义，碳纤维（Carbon Fiber）是一种纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上，直径一般为5～7微米，约为成年人头发直径的十分之一。碳纤维的起源可追溯到19世纪后期，美国人爱迪生（Edson）用碳丝制作灯泡的灯丝，从而发明了电灯，给人类社会带来了光明。但是在20世纪初期，美国通用电器公司的库里基（Coolidge）发明了用钨丝取代碳丝作为灯丝，并一直沿用至今。这使得碳丝一度退出了历史舞台。
直到20世纪50年代，在美苏冷战和争霸的时代背景下，为了解决战略武器的耐高温和耐烧蚀材料，碳纤维再次进入人们的关注视角。并自此以后，在材料科学领域掀起了碳纤维研究与开发热潮，各种有机纤维被用来尝试制备碳纤维。经过几十年的发展，形成了聚丙烯腈（PAN）、沥青和粘胶三大原料体系。其中，PAN基碳纤维因其生产工艺简单、生产成本较低和力学性能优良的特点，已成为发展最快、产量最高、品种最多以及应用最广的一种碳纤维。
PAN纤维的商品名为腈纶，广泛用于服饰领域，由于其性能很像羊毛，故又称为人造羊毛。首先发明用PAN纤维制造碳纤维的是日本大阪工业研究所的进藤昭男（Shindo）博士。他发现PAN纤维需经氧化处理才可得到碳纤维。随后，英国皇家空军研究所的瓦特（Watt）和约翰逊（Johnson）等人发现在氧化过程中施加张力牵伸才能制得高性能碳纤维。1969年，日本东丽公司（Toray）研制出共聚PAN原丝，结合美国联合碳化物公司（Union Carbide）的炭化技术，生产出高强度、高模量碳纤维。如今，东丽公司的PAN基碳纤维无论质量还是产量都居世界前列，代表当今世界最高水平。
碳纤维作为一种高性能纤维，具有十分优异的力学性能，拉伸强度约为2～7GPa，拉伸模量约为200～700GPa。再加上它的重量很轻，密度约为1.5～2.0g/cm3，仅为钢的四分之一，这使得碳纤维在所有高性能纤维中具有最高的比强度和比模量。除此之外，碳纤维还具有许多其它优良性能，如耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、耐疲劳、热膨胀系数低、良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。在没有氧气存在的情况下，碳纤维能够耐受3000oC以上的高温，这是其他任何纤维材料无法与之相比的。而且，碳纤维对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性，完全不存在生锈的问题。
如此优异的性能使碳纤维成为了材料科学与工程领域的耀眼明星。但碳纤维很少单独使用，一般只通过与树脂、金属或者陶瓷等基体材料进行复合后再使用。碳纤维已成为先进复合材料最重要的增强材料。由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点，目前已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。
碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料。将碳纤维复合材料应用在战略导弹的弹体和发动机壳体上，可大大减轻重量，提高导弹的射程和突击能力，如美国80年代研制的“侏儒”洲际导弹（图3）三级壳体全都采用碳纤维/环氧树脂复合材料。碳纤维复合材料在新一代战斗机上也开始得到大量使用，如美国第四代战斗机F22（图4）采用了约为24%的碳纤维复合材料，从而使该战斗机具有超高音速巡航、超视距作战、高机动性和隐身等特性。碳纤维在舰艇上也有重要的应用价值，可减轻舰艇的结构重量，增加舰艇有效载荷，从而提高运送作战物资的能力，而且，碳纤维不存在腐蚀生锈的问题，可以延长使用寿命和节省维护费用。
碳纤维还是让大型民用飞机、汽车、高速列车等现代交通工具实现“轻量化”的完美材料。新一代大型民用客机空客A380（图5）和波音787（图6）使用了约为50%的碳纤维复合材料。这使飞机机体的结构重量减轻了20%，比同类飞机可节省20%的燃油，从而大幅降低了运行成本、减少二氧化碳排放。
碳纤维在风能、核能和太阳能等新能源领域也具有广阔的应用前景。当风力发电机功率超过3MW，叶片长度超过40米时，传统玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，采用碳纤维复合材料制造叶片是必要的选择。只有碳纤维才能既减轻叶片的重量，又能满足强度和刚度的要求。
碳纤维在运动休闲领域中也一直独领风骚，像高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍羽毛球拍、自行车、滑雪杖、滑雪板、帆板桅杆、航海船体等高档运动休闲用品都是碳纤维的主要用户之一。
近几年来，碳纤维开始走进普通民众的生活，像音响、浴霸、取暖器等家用电器以及手机、笔记本电脑等电子产品也可以看到碳纤维的身影。
碳纤维的应用产品不胜枚举。随着性能的进一步提升和价格的大幅降低，碳纤维的应用领域必将得到更宽广的拓展。可以预见将来碳纤维不但会在高、精、尖领域大显身手，而且还会成为普通民众日常生活中最亲密、最信赖的朋友。
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