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如图1-40所示，一根仅有头发丝1/10粗细的高性能碳纤维（Carbon Fiber，简称CF），拉伸强度可以达到钢的7～9倍，而单位体积重量（密度）仅有钢的1/4。在2000℃的高温惰性环境下，其他类型的纤维已化为灰烬，它却毫无变化，保持纤维强度不下降，甚至部分金属及合金类结构材料都难以实现。这看似不起眼的碳纤维，成了新材料界的一匹“黑马”，大到航天飞机，小到手机壳，如今碳纤维的应用已经深入到生产、生活的众多方面。
图1-40 碳纤维与头发丝对比
碳纤维这一概念最早可以追溯到19世纪，英国人约瑟夫·斯旺最早用碳丝制造电灯泡的灯丝，后来爱迪生做出了实用的白炽灯碳灯丝，两人利用竹子和纤维素等原材料经过一系列后处理制成了最早的碳纤维，将其用作灯丝。不过由于1910年库里奇发明了拉制钨丝的方法，灯丝全面改用钨丝，早期的碳纤维研究被打入冷宫。1959年，美国联合碳化物公司和美国空军材料实验室生产并上市了黏胶基碳纤维Thornel-25。同年，日本进藤昭男（Shindo A）首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维。20世纪90年代，日本东丽（Toray）、东邦（Toho Tenax）等多家公司先后推出多类型高性能碳纤产品，拉伸强度从3.5 GPa提高到5.5 GPa，模量从230 GPa提高到600 GPa，碳纤工艺技术的重大突破推动其应用开发进入一个新的高水平阶段。我国碳纤维产业自20世纪60年代开始起步，经过长期自主研发，从无到有，从小到大，打破了国外技术装备封锁，碳纤维产业化取得初步成果。
碳纤维的化学成分主要是碳元素，含碳体积分数随种类不同而异，含碳量一般在90%以上。它是由有机母体纤维（聚丙烯腈﹑黏胶丝或沥青等）先经过预氧化过程形成预氧丝，随后预氧丝在1000～3000℃高温、惰性气体环境下，高温分解、碳化制成的无机高分子纤维，其分子结构介于石墨与金刚石之间。
碳纤维“外柔内刚”，外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物（图1-41），由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维密度仅1.76～1.94 g/cm 3 ，远低于钢铁和铝，却具有超高的抗拉强度（抗拉强度＞3500 MPa，抗拉模量＞230 GPa），杨氏模量是传统玻璃纤维的3倍，是凯夫拉纤维（KF-49）的2倍。作为新一代增强纤维，“黑金刚”碳纤维成功掀起了21世纪的黑色革命，除了力学性能优异，还具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，主要用途是作为增强骨架与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。
图1-41 碳纤维束及其制品
碳纤维具有出色的力学性能和稳定性，是发展国防军工与国民经济的重要战略物资，广泛应用于航空航天、汽车制造、体育休闲、建筑和工业机械、风电叶片、压力容器等领域。
碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机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上，可大大减轻重量，提高导弹的射程和突击能力。碳纤维复合材料在新一代战斗机上也开始得到大量使用，使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。采用碳纤维与高性能树脂复合制成的飞行器，噪声小，同时因质量小而动力消耗少，可节约大量燃料。
碳纤维复合材料的振动衰减系数较大，吸振能力较强，所以当被应用到传动系统和发动机部件当中，可以有效地减轻车身的重量，减少振动，降低噪音。现在的F1（世界一级方程锦标赛）赛车车身（图1-42（a））大部分结构都用碳纤维材料，众多顶级跑车（图1-42（b））的一大卖点也通过巧妙使用碳纤维来提高车辆的气动性和结构强度。
图1-42 碳纤维在汽车领域应用
相比其他材料，碳纤维的破损安全性能好，设计自由度大，碳纤维材质的体育用品更轻，更坚硬，更耐用，并能最大限度地发挥使用效果。用碳纤维制成的网球拍轻而坚，刚性大，应变小，可降低球与球拍的偏离度，同时可以延长线与球的接触时间，使网球获得较大的加速度。此外，在娱乐休闲用品方面还可以制造提琴面板、高尔夫球杆、钓鱼竿、自行车、滑雪板等，如图1-43所示。
图1-43 碳纤维在休闲运动领域应用
高模量碳纤维已经成为风电叶片的另一主力市场，如图1-44（a）所示，据测算，40 m以上的风电叶片使用碳纤维后可使叶片自重减少 38％，风电的成本大幅下降，还可以提高叶片抗疲劳性能，提高输出功率。另外，碳纤维也是桥梁、建筑物加固和抗震的理想材料，碳纤维制成的构架屋顶，可减小建筑的体积和质量，提高施工效率并增强建筑体抗震性。从压力容器到改性工程塑料，从医疗辅助装置到工业机械部件，如图1-44（b）所示，碳纤维凭借着其显著的性能优势和轻量化能力在众多领域大放光芒。
图1-44 碳纤维在其他工业领域应用
“黑金刚”碳纤维的黑科技越来越受到关注，在各大领域发挥着举足轻重的作用，潜在市场大，逐渐发展成为真正的大国重器！