碳纤维：从“黑色黄金”到“平民超跑”——一篇看懂它的前世、今生与未来
轻若鸿毛，却坚如钢铁。
一根头发丝细的碳纤维，可拉起两辆奥迪 A6L。
01｜什么是碳纤维？
碳纤维（Carbon Fiber，简称 CF）是由有机高分子纤维（前驱体，precursor）经热处理碳化而成的高模量、高强度石墨微晶纤维。
所用的前驱体材料有：
PAN 基（聚丙烯腈基）碳纤维：目前占主流。优点：综合性能最优（高强高模），可通过工艺调整得到高强或高模纤维。应用最广（航空、汽车、风电、体育器材）。
沥青/煤沥青基（Pitch）碳纤维：通常用于超高模量纤维（高模需求），多用于电子、热管理和某些高刚度结构。
粘胶/人造纤维基：历史型，已少用，强度与刚度一般，主要用于某些低成本应用。
一名话总结：先纺“白丝”PAN，再烧掉所有非碳，得到含碳＞92 %的碳纤维，晶体沿轴向高度取向，赋予它：
密度 1.6 g/cm³（钢 1/4）
强度 3500–7000 MPa（高强钢 5–10 倍）
模量 230–680 GPa（钢 3–4 倍）
热膨胀系数 –0.1×10⁻⁶ /℃（近零变形）
性能一句话：比铝轻、比钢硬、比钛耐腐蚀。
02｜发展简史（快速回顾）
碳纤维其出现和发展历程大致为：
20 世纪 50–60 年代科研规模化制备（初期以粘胶/沥青/人造纤维为前驱体）；
70–90 年代进入航空航天与高端体育器材应用，产业化来自日本、美国与欧洲企业主导；
2000 年代后，碳纤维复合材料（CFRP）体现在风电叶片、赛车与奢侈跑车中；
近十年：热塑性基复合、自动铺丝（AFP/ATL）、大幅降本工艺与国产化推进，使其向汽车、大型工业结构拓展。
碳纤维之所以价值巨大，根本原因是其极高的比强度与比刚度，即单位重量下的承载与刚性优势。
03｜分类
碳纤维（Carbon Fiber）不是“一根”纤维，而是由 3000～50000 根直径 5–8 µm 的石墨微晶纤维组成的“丝束”。
图 1 碳纤维
丝束可以织成布或带，丝束按根数，划分为“小丝束”和"大丝束”。
图 2 碳纤维布
按“根数”一刀切开，
表 1 丝束分类
小丝束 大丝束 04｜形态决定用法——先有“丝”，再有“材”
在应用时，根据实际产品，可用丝，可用布。零件成型工艺有种像老人纳鞋底，一层布一层糊再压实。而此处的糊是环氧树脂等粘结固化剂。粘结剂可以现糊也可预浸。
图 3 碳纤维预浸布
表 2 碳纤维零件工艺
连续长丝 机织布 单向带/预浸带 短切纤维 三维编织体
Prepreg（预浸料）：纤维已浸渍树脂，需要低温储存并在模具/炉中固化。优点：可控性高，适合高性能部件；缺点：成本高、固化周期长。
图 4 树脂注入示意
RTM/Infusion（树脂注入）：干性织物铺设后注入树脂，适合中大型结构。
SMC / BMC / LFT（短切片材或长纤增强热塑）：适合汽车量产件（门板、保险杠内骨架）。
图 5 短切片材或长纤增强热塑
Continuous fiber reinforced thermoplastic (CFRTP)：连续纤维热塑性复合材料，可用热合、热成型实现快速成形，适合汽车大批量。
Automated Fiber Placement（AFP）/Automated Tape Laying（ATL）：自动化铺丝，可精确控制纤维方向与层叠顺序，适合大型结构件和航空级高精度部件。
4.1｜热点工艺深扒
1️⃣ 热塑性冲压（90 s 节拍）
材料：连续 CF-PP 预浸带
流程：红外加热→机器人抓取→模具冲压→冷却取件
案例：吉利 SEA 2.0 电池隔板，减重 40 %，可焊接、可回收。
2️⃣ HP-RTM（高压树脂传递）
压力：60–80 bar 注胶，3 min 固化
案例：宝马 iX 侧围，22 层 50K 大丝束布，孔隙率 <1 %，单车减重 8 kg。
3️⃣ 缠绕+拉挤（连续成型）
缠绕：储氢瓶 70 MPa，T700 24K 湿法缠绕，壁厚 18 mm，5 min/只。
拉挤：传动轴壁厚 2 mm，比强度 180 kN·m/kg，耐 9000 rpm 动平衡。
4️⃣ 短纤注塑（低成本神器）
材料：短切 CF 5–15 mm + 阻燃 PA66
优势：可复用金属模具，零件成本 <30 元/kg
案例：保时捷 Taycan 加速踏板臂，比铝轻 45 %
05｜碳纤维性能优点（为什么用碳纤维？）
极高比强度、比刚度：相对于钢铝，CFRP 在相同重量下能提供更高刚度与强度。
三种金属的特定刚度比都在25 （GPa / g/cm3）左右。碳纤维复合材料的范围从66到150 (GPa / g/cm3)，取决于取向和增强类型。这大约是3到6倍。
设计自由度高：纤维方向可控，能把强度放在“需要的方向”上，进行拓扑优化与功能集成。
耐腐蚀性与疲劳抵抗（在适当设计下）：没有金属腐蚀问题，疲劳比金属优异（但要防止界面裂纹）。
阻尼与NVH优势：复合材料更容易吸收振动，提高舒适性。
热稳定或电磁特性可定制：通过材料选择与面层处理可实现导电、绝缘或电磁屏蔽等功能。
06｜主要缺点与工程风险
成本高：原材料（PAN）与制备（高温碳化、真空固化）能耗与设备成本高。
脆性断裂/冲击敏感：复合材料在低温冲击或点状冲击下易产生穿透或层间脱粘，断裂无明显塑性预警。
制造周期与可重复性问题：高性能部件常需长固化周期与高精度模具，难以快速量产。
回收与可持续性差：热固性 CFRP 回收困难，生态处理成本高；热塑性 CFRP 在可回收性方面有优势。
连接与装配难题：复合与金属之间连接（粘接、铆接）需特殊设计，界面剪切、热膨胀失配带来可靠性问题。
检测与无损评估难：层间缺陷、脱胶等需要超声、CT 等昂贵手段检测。
07｜主要应用领域与推广现状
1. 航空航天
当前地位： 核心结构件（机身、翼梁、尾翼、内饰）广泛使用。
原因： 高成本可通过重量节约在使用寿命与油耗中回收；安全与可靠性达到标准。
现役亚轨道载人飞船都采用了大量碳纤维制造。
维珍银河VSS Unity 采用“全碳纤维复合材料壳体”，机翼、尾翼、机身主承力结构均为碳纤预浸料热压罐/RTM 成型，以实现“轻质+耐高温”。
2. 风力发电（风电叶片）
当前地位： 大型叶片常用碳纤维（或碳/玻混合）提高刚度并减重，提高效率。
原因： 大尺寸与疲劳寿命需求，使碳纤维成为理想选材。
3. 高端汽车与赛车
当前地位： 整车壳体（跑车）、结构件、车身覆盖件、底盘部件在高端市场普及。
图 8 全碳Koenigsegg 科尼赛克
原因： 性能优先、量少价高，适合采用高成本材料。
4. 大众化汽车（汽车产业的渗透）
趋势： 采用短纤/长纤热塑、LFT 或金属-塑料混合结构逐步替代传统金属件（例如 B-pillar 内骨架、前端模块、尾门内骨架）。
现状： 高性价比方案使 CFRP 在中端量产车上开始出现（主要是分区使用而非整车碳壳）。
Tesla 尾翼
5. 运动器材、电子、医疗等
当前地位： 自行车架、高尔夫杆、网球拍、无人机框架广泛使用碳纤维。
08｜面临的挑战与瓶颈
成本仍然是最大瓶颈：特别是 PAN 前驱体、长时间高温处理、autoclave 固化能耗昂贵。
大尺寸复杂件的一致性制造：如何保证大型结构件（汽车车壳、机翼）在不同批次的一致性和无缺陷率。
界面与连接技术：复合-金属混合结构连接长期可靠性、界面疲劳是关键工程问题。
回收与可持续性：热固性 CFRP 回收难，生命周期评价（LCA）需要改进。
检测手段：高效、在线的无损检测（NDT）仍需进一步普及与成本降低。
09｜未来趋势（技术与市场）
热塑性复合材料规模化：热塑性基体可快速成形、可回收、适合汽车节拍。
自动化制造全面推进：AFP/ATL、机器人化铺丝、在线固化（电阻加热/感应）降低人工与时间成本。
复合材料与金属的混合设计（multi-material design）：在结构优化软件（拓扑、纤维路径优化）辅助下实现最优材料分布。
回收体系成熟化：化学回收、热解与纤维再利用技术商业化，推动可持续闭环。
材料功能化：导电、导热、传感涂层与纳米改性，提高复合件的附加功能。
成本下探，向中低端市场渗透：在汽车、轨道交通、风电等领域碳纤维的渗透率将提高。
结语
碳纤维不是“银弹”，但在场景匹配 + 工艺成熟 + 成本可控三者同时到位时，能显著改变整车设计的边界。从航空到风电，到逐步扩展到汽车主结构与高产量部件，碳纤维材料正进入一个从“高端小众”向“应用广泛化、产业化”转变的关键期。中国在产能、政策与下游市场上具有优势，但在高端纤维与长期可靠性数据方面仍需积累。未来五到十年，是碳纤维由“精品”走向“规模化、经济化”应用的窗口期。
转载自“三分钟材料”
