以碳纤维作为增强材料的先进复合材料具有高比强度 、高比模量 、可设计性强、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳和热膨胀系数小等一系列的优异性能。 碳纤维及其复合材料优异的性能使其被广泛应用于航空航天、轨道交通、车辆制造 、武器装备、工程机械、基础设施建设、海洋工程、石油工程、风力能源 、体育用品等领域。
碳纤维的分类
按照工业化生产路线原料
碳纤维主要可以分为聚丙烯睛（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类，其中以 PAN基碳纤维为主流，占全球碳纤维总产量的90％以上。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧 、碳化几个阶段形成 .PAN基碳纤维具有高强 度 、高刚度、重量轻、耐高温 、耐腐蚀、优异的电性能等特点, 并具有很强的抗压抗弯性能 ,一直在增强复 合材料中保持着主导地位 .目前 , PAN基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流.
沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料, 经沥青的精制 、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成. 沥青基碳纤维的生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维, 但由于沥青基碳纤维的生产工艺复杂,反而使其 生产成本大大增加.此外, 沥青基碳纤维抗压强度比较低 ,其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纤维,因此 其生产规模和应用领域都受到了一定限制 .不过,由于沥青基碳纤维具有优良的传热 、导电性能和极低 的热膨胀系数,因此仍在必须要求这些性能的军工及航天领域发挥着独特作用.
粘胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的.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 ,因此是理想的耐烧蚀和隔热及 热防护材料 .同时 ,粘胶基碳纤维是由天然纤维素木材或棉绒转化而来 ,与生物的相容性极好,又可作为 良好的环保和医用卫生材料.但是,由于生产粘胶基碳纤维的工艺流程较长 ,工艺条件苛刻 ,不适宜大批量生产 ,成本较高 ;另外, 粘胶基碳纤维的整体性能指标比 PAN基碳纤维的要差, 综合性能价格比在竞争中处于劣势 ,因此从 20 世纪 60年代以来其生产规模逐渐萎缩,目前产量已不足世界碳纤维产量的 1%.
按照生产技术路线和产品规格
碳纤维通常被分为小丝束和大丝束，一般将丝束数量小于24K的碳纤维称为小丝束，24K以上的为大丝束，没有绝对的标准。1K就相当于一束碳纤维中有1000根丝。
小丝束：小丝束碳纤维工艺控制要求严格，碳化等设备造价高，生产成本较高，般用于航天军工等高科技领域，以及体育用品中产品附加值较高的产品类别，主要下游产品包括飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。
大丝束：大丝束产品性能相对较低、制备成本也较低，往往应用于基础工业领域。
按照碳纤维性能特点
通常可分为三类，即以高强度为特点的高强系列碳纤维、以高模量为特点的高模量碳纤维和同时具有高模量和高强度的高模高强系列碳纤维。
碳纤维有一个强度指标，是按照拉伸强度来进行划分的等级。常见的有T300、T400、T700、T800、T1000。
普通的民营等级一般为T300即可，T700基本是民用最高等级了，T800及以上主要用于军工太空领域。
表1 不同材料性能对比表
碳纤维的特性
碳纤维主要具备以下特性:
①密度小 、质量轻, 碳纤维的密度为 1.5 ～ 2 g/cm 3 , 相当于钢密度的 1/4、铝合金密度的 1/2;
②强度、弹性模量高 ,其强度比钢大 4 ～ 5倍 ,弹性回复为 100%;
③热膨胀系数小 ,导热率随温度升高而下降,耐骤冷 、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不 会炸裂 ;
④摩擦系数小 ,并具有润滑性;
⑤导电性好 , 25℃时高模量碳纤维的比电阻为 775μΨ/cm,高强 度碳纤维则为 1500μΨ/cm;
⑥耐高温和低温性好, 在 3000℃非氧化气氛下不熔化 、不软化, 在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;
⑦耐酸性好 ,对酸呈惰性 ,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀.除此之外 ,碳纤维还具有耐油、抗辐射 、抗放射 、吸收有毒气体和使中子减速等特性 .
碳纤维的结构
碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺 ,但无论用哪种材料, 碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向。
构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格，由层晶格组成层平面 .在层平面内的碳原子以强的共价键相连, 其键长为 0.1421nm;在层平面之间则由弱的范德华力相连 ,层间距在0.3360～0.3440 nm之间 ;层与层之间碳原子没有规则的固定位置 ,因而层片边缘参差不齐 .处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同 .层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高 ,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称, 具有不成对电子 ,活性比较高 .因此, 碳纤维的表面活性与处于边缘 位置的碳原子数目有关。
在碳纤维的形成过程中，由于原丝在碳化的过程中会有大量的元素与各种气体（如CO、CO2、H2O、NH3、H2、N2）形成逸出，其表面和内部就会形成各种微小的缺陷和空穴，这些缺陷和空穴的存在将对碳纤维的强度产生很大的影响，绝大多数纤维断裂是发生在缺陷或裂纹的地方。
