碳纤维:我是谁?从哪里来?到哪里去?

碳纤维:我是谁?从哪里来?到哪里去?

一. 我是谁?

先澄清几个常识吧。

  1. 碳是一种元素,炭是一种物质;某些炭的碳含量很高,但基本上是无定形碳的结构,强度很差。
  2. 碳单质,即基本上全部是碳元素构成的物质,包括无定形碳、石墨、金刚石、富勒烯、石墨烯、碳纳米管、碳纤维。
  3. 碳单质的结构不同,物理性能(硬度和强度)会千差万别。
  4. 关于键能,碳碳三键>碳碳双键>碳碳单键。

1.1. 无定形碳

无定形碳属于sp3/sp2杂化混合,近似非晶形态(或无固定形状和周期性的结构规律)。富含无定形碳的材料包括煤炭、木炭、活性炭、炭黑等。大部分无定形碳是石墨层型结构的分子碎片大致相互平行地,无规则地堆积在一起,力学强度和硬度很差。

1.2. 金刚石、石墨、富勒烯

金刚石是sp3杂化,石墨和富勒烯是sp2杂化。关于三者的硬度、强度等都是初中化学的知识,这里只是做个引子。

1.3. 石墨烯、碳纳米管

石墨烯(左上)和碳纳米管(左下),与石墨和富勒烯(右上和右下)均属于sp2杂化。简单说,石墨是一层层的碳片叠成的晶体,富勒烯是呈球形的单层碳片,石墨烯是剥离开的呈片状的单层碳片,碳纳米管是呈管状的单纯碳片。

理论上,单层碳片的力学强度非常高。但是石墨烯、碳纳米管和富勒烯,没有在复合材料发挥像碳纤维一样的性能,本质是因为分子量不够,无法形成宏观的材料增强体。

我个人认为在复合材料领域,未来很长一段时间内,石墨烯和碳纳米管,会走富勒烯的老路——诺贝尔奖加持,集万千宠爱于一身,但始终无法大规模和高品质量产,无法找到合适的应用。

1.4. 碳纤维

碳纤维可以用不同的原材料制备,主要有聚丙烯腈(PAN)、沥青(可以分别称之为PAN基或者沥青基碳纤维)。其中以聚丙烯腈最为常见,大约90%的碳纤维由它而制造(不特别说明的话,碳纤维指的就是PAN基碳纤维)。

碳纤维的强度先不做具体介绍,追本溯源,碳纤维之所以这么强,本质上它是一种高分子材料,实现了sp2结构的连续。通过PAN纤维,最终变为碳纤维,无疑是碳材料的胜利——真正发挥强度的可能性实现了。(思考一下,有什么办法实现金刚石的大规模大尺寸工业化生产,千克拉钻石什么时候出现?)

总之,碳纤维作为一种sp2杂化的碳高分子材料,在强度、模量上还有很大的提升空间。根据理论计算,碳纤维固有强度和模量分别可达到184GPa和1020GPa(现在最先进的超高强钢的强度是2GPa,模量是210GPa)。今天先科普一下碳纤维的由来,关于碳纤维复合材料,还存在很多成本、工艺和性能的问题,后续再介绍。

编辑于 2019-11-10

文章被以下专栏收录