碳纖維是主要由碳組成的紡織品。它是通過(guò)將各種基于碳的聚合物紡成纖維，對其進(jìn)行處理以去除大部分其他物質(zhì)，然后將所得材料織成織物來(lái)生產(chǎn)的。通常將其嵌入塑料（通常為環(huán)氧樹(shù)脂）中以形成碳纖維增強塑料或碳纖維復合材料。該材料最顯著(zhù)的特征是其高的強度重量比和相對的化學(xué)惰性。這些特性為它提供了廣泛的應用，但是它的使用由于價(jià)格昂貴而受到限制。

這種材料的生產(chǎn)通常基于聚丙烯腈（PAN）（一種用于服裝的合成紡織品中的塑料）或瀝青（一種由石油制成的焦油狀物質(zhì)）。瀝青首先被紡成股，但PAN通常以纖維形式開(kāi)始。通過(guò)強力加熱將它們轉化為碳纖維，以去除其他元素，例如氫，氧和氮；這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為熱解。在此過(guò)程中拉伸纖維有助于消除可能削弱最終產(chǎn)品的不規則性。

原始纖維首先在空氣中并在張力下被加熱到590°F（300°C），此過(guò)程稱(chēng)為氧化或穩定化。這將從分子中除去氫，并將纖維轉變成機械上更穩定的形式。然后在無(wú)氧狀態(tài)下將它們加熱到約1,830°F（1,000°C），此過(guò)程稱(chēng)為碳化。這樣可以去除更多的非碳材料，大部分留下碳。

當需要高質(zhì)量，高強度的纖維時(shí)，會(huì )進(jìn)行進(jìn)一步的階段，即石墨化。將該材料加熱到1,732至5,500°F（1,500至3,000°C）之間，以將碳原子的形成轉化為類(lèi)石墨結構。這也去除了大部分殘留的非碳原子。術(shù)語(yǔ)“碳纖維”用于碳含量至少為90％的材料。當碳含量大于99％時(shí)，該材料有時(shí)稱(chēng)為石墨纖維。

如今，碳纖維被用于建筑橋梁和隧道以及其他土木工程項目。

產(chǎn)生的原始碳纖維不能與用于制造復合材料的物質(zhì)很好地粘合，因此通過(guò)使用適當的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行處理會(huì )使其被輕度氧化。添加到結構中的氧原子使其能夠與塑料（例如環(huán)氧樹(shù)脂）形成鍵。涂上薄薄的保護涂層后，將其編織成所需尺寸的紗線(xiàn)。這些反過(guò)來(lái)又可以織成織物，然后通常摻入復合材料中。

結構與性質(zhì)

單根纖維的直徑約為0.0002至0.0004英寸（0.005至0.010毫米）。紗線(xiàn)由成千上萬(wàn)的這些股線(xiàn)編織在一起形成非常堅固的材料。在每條鏈中，碳原子的排列方式與石墨類(lèi)似：六角環(huán)連接在一起形成薄片。在石墨中，這些板是平坦的，并且彼此之間松散地粘合在一起，因此它們很容易滑開(kāi)。在碳纖維中，薄片被折疊和弄皺，并形成許多細小的，互鎖的晶體，稱(chēng)為微晶。制造中使用的溫度越高，這些微晶沿著(zhù)纖維軸的取向就越多，強度也就越高。

在復合材料中，纖維本身的取向也很重要。依此，材料可以在某個(gè)方向上增強，也可以在所有方向上增強。在某些情況下，一小塊可以承受許多噸的沖擊，并且變形仍然很小。纖維復雜的交織性質(zhì)使其很難斷裂。

就強度/重量比而言，碳纖維復合材料是文明可以大量生產(chǎn)的最佳材料。最強的強度大約是鋼的五倍，并且重量輕得多。正在研究將碳納米管引入材料的可能性，這種方法可將強度重量比提高10倍或更多。

它具有的其他有用特性是其耐高溫的能力和惰性。分子結構像石墨一樣非常穩定，賦予其高熔點(diǎn)，使其與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應的可能性降低。因此，它對于可能受熱的部件以及需要耐腐蝕的應用很有用。

用途

碳纖維用于許多需要高強度和低重量的地區。其中包括公共和私人交通工具，例如汽車(chē)，飛機和航天器；運動(dòng)器材，例如賽車(chē)，滑雪板和釣魚(yú)竿；和建設。該材料的相對惰性使它非常適合于化學(xué)工業(yè)和醫學(xué)應用-由于它不會(huì )與體內物質(zhì)發(fā)生反應，因此可以用于植入物。在土木工程中，已經(jīng)確定可以通過(guò)較便宜的簡(jiǎn)單碳纖維增強材料避免舊橋的破壞和重建。

經(jīng)濟學(xué)

截至2013年，碳纖維的用途和需求受到其成本的限制。用復合材料制成的自行車(chē)通常要花費幾千美元左右。一級方程式賽車(chē)的時(shí)速超過(guò)200英里/小時(shí)（320公里/小時(shí)），其制造和維護成本可能超過(guò)一百萬(wàn)美元，這在很大程度上取決于這種材料的慷慨使用。然而，需求的大幅增長(cháng)主要是由于大型商用飛機產(chǎn)量的增加。如果可以顯著(zhù)降低成本，則它可能會(huì )成為用于具有極高耐用性和輕便性的車(chē)輛和小型產(chǎn)品的通用材料。