碳纤维是一种轻质高强度的材料，在汽车和飞机上就有很多碳纤维材料组件。它可以被用来制造几乎任何东西，自行车、高尔夫球杆甚至钱包，都可以用碳纤维制造。不过由于其制备工艺的复杂性和原料的高成本，目前碳纤维应用还不广泛。本文将介绍作者（ Lee Hutchinson）在慕尼黑通用研究中心所见到的跟碳纤维材料有关的有趣知识。

慕尼黑通用全球研究中心，图中的自动化机械化正在将碳纤维放置在模具上。

复杂的工艺流程

碳纤维也可以被称为“复合材料”，复合材料是指两种或两种以上的物质以一种特殊的方式结合起来的材料，它常常综合了组成材料的优良性质。在通用电气研究中心时，我们在复合材料制备实验室中呆了很长的时间，见识了里面数不清的复合材料，从玻璃到金属，应有尽有。不过，接下来我将主要介绍碳纤维。

碳纤维是一种非常精巧的材料，它具有非常卓越的性能。在同等尺寸大小下，碳纤维往往比金属的硬度更强，密度更小，这就是为什么碳纤维常常被用于车体外板和喷射式涡轮当中的原因。硬度这个性质其实包括了很多衡量指标。具体来说，碳纤维的抗张强度（即对抗拉伸的能力）是钢的4倍，铝的8倍。而它抗弯曲的能力也比钢材和铝材大得多。并且，尽管碳纤维强度很大，但是它的质量却并不重，相反地，碳纤维的质量只有同体积钢的三分之一。

碳纤维的优异性能得益于它的组成物和制备时添加的胶或环氧树脂，碳纤维是由处理过的碳素长丝制成的，碳丝的厚度比人的头发还要细。制备时添加的环氧树脂能够让各种材料充分混合，并“硬化”。碳纤维的制备方法大同小异，都需要经过上述的“原丝制备和上浆”过程。

通常，在制备碳纤维时，你需要用到一个模具，用来放置碳纤维。在莫尼黑，我们见到的是机器人将碳纤维沿着一块大塑料板放置。但同样也存在非机械的人工放置碳纤维的处理方法。

图为通用研究中心的马赛厄斯·梅斯默（右）站在碳纤维自动放置机器人前。

没有添加树脂的原丝还称不上是碳纤维。我们在慕尼黑的实验室看到，碳纤维自动放置机械会将碳纤维浸泡在环氧树脂中，并用使之成型。长线轴中的原丝是被冷处理过的，为了防止树脂固化，而当这些原丝被放置在模具表面上时，机械会瞬间加热它，让它马上固化。

添加树脂的方式是多种多样的。赛车和碳布片材中的高强度碳纤维就是用注射的方法来加入树脂的。有的时候，会用刷子给碳纤维涂上一层树脂，然后再放入模具。

在经过原丝制备、上浆处理后，等到碳纤维固化了，产品就真正做好了。固化过程常常用到的方法是加热，不过有的环氧树脂在室温下的固化效果更好，或者将环氧树脂放在真空中加压。固化现象跟一般的固化过程类似，只不过这里的树脂起到的作用是让碳纤维更好的硬化。此外，碳纤维在固化过程中可能会发生化学反应，生成原丝材料中不含碳的物质，导致纤维颗粒之间的团聚作用力更加强。这样，最后得到的就是我们所说的“碳纤维”了，呈黑色，看起来就像一块布，不过它非常的坚硬。

用碳纤维材料制成的涡轮组件，后面是未上浆的碳纤维线。

为什么是“碳”纤维?

复合材料常常是能用一系列不同的材料合成的，在莫尼黑实验室中也能见到不少，但碳纤维往往在需要刚度和轻质的地方却是无可替代的。这可能是因为碳原子的特性，科学研究表明碳原子非常容易和其他原子成键。

碳元素是一种非常有意思的元素，自然界中最坚硬的东西（金刚石）是碳单质，硬度最低的物质之一（石墨）也是碳单质。一般来说，用碳制备的材料和用其他单质制得的材料物性一样，都跟原子/分子成键的方式以及原子/分子团聚的方式有关。在这里，我们不谈太高深的化学知识，仅做简单类比：碳原子的成键方式是多种多样的，就像六面都有双头螺钉的乐高积木一样，成键选择非常的多。

碳原子间的成键方式决定了材料的性质。对石墨材料，碳原子是一层层堆积的，同一平面上的碳原子间所成的键非常强，但平面间的碳原子所成的键比较弱，这使得石墨材料非常容易分离(也使得石墨导电性能非常好）。而对于金刚石，碳原子成的键是三维的，晶胞属于四方晶格，尽管单个键的键能比石墨的键能要低，但是它所有方向的键能都是相同的（表面原子除外），因此材料整体显得坚硬得多。