材料里的“黑黃金”

周軍

小到球拍、釣魚竿等民用產(chǎn)品，大到飛機(jī)、衛(wèi)星和導(dǎo)彈等高精尖設(shè)備，都是碳纖維大展身手的領(lǐng)域。

一桶標(biāo)準(zhǔn)的碳纖維，重約1千克，長(zhǎng)15000米。它的顏色黑黑的，其貌不揚(yáng)，但是它確實(shí)很神奇。它是由我們?nèi)嗽斓挠袡C(jī)纖維經(jīng)過高溫轉(zhuǎn)化得到的含碳量達(dá)到90%以上的一種無(wú)機(jī)纖維，也叫“黑黃金”。為什么說(shuō)是神奇的碳纖維呢？主要體現(xiàn)在五個(gè)方面：

第一是細(xì)如發(fā)絲。碳纖維直徑大約為5～8微米。

第二是輕如鴻毛。碳纖維的密度是鋼的五分之一，是鈦的五分之二，是鋁的五分之三。用碳纖維做成的自行車，重量?jī)H僅5千克。一位女士單手就可以很輕易地把它提起來(lái)。

第三是強(qiáng)如鋼鐵。首先，它的強(qiáng)度高，一束標(biāo)準(zhǔn)的12K碳纖維可以承受130千克左右的重量；其次，碳纖維非常耐高溫，在3000℃下依然安然無(wú)恙。

第四是制備非常難。它的制備難度是可以與航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造、芯片制造、微納制造比擬的，也是集人類工業(yè)文明之大成的杰作之一。

第五是貴如黃金。因?yàn)樘祭w維的制備非常難，流程非常長(zhǎng)，所以它非常貴。目前宇航級(jí)的碳纖維的價(jià)格約在每千克千元到萬(wàn)元這個(gè)范圍，是鋼和鋁合金的幾十倍。

碳纖維還有很多其他優(yōu)點(diǎn)，如它的耐腐蝕性能好，能耐各種酸、堿、油，還包括海洋環(huán)境。它的耐腐蝕性能優(yōu)于黃金和白金。同時(shí)，碳纖維還有一個(gè)非常奇特的特點(diǎn)，就是它的膨脹系數(shù)接近0，在-100℃到100℃之間，它的尺寸基本保持不變。另外，把碳纖維做成復(fù)合材料以后，它的抗疲勞性能非常好。

碳纖維是航空航天競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要標(biāo)志。中國(guó)已經(jīng)成為世界上第三個(gè)自主擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。在這方面碳纖維是功不可沒的。北斗衛(wèi)星看起來(lái)就像一座房子帶著兩只翅膀。它的“房子”和“翅膀”都是用碳纖維復(fù)合材料做的。為什么要用碳纖維？首先，衛(wèi)星要裝足夠多的儀器設(shè)備，要求它的結(jié)構(gòu)重量比要小于5%，所以必須用碳纖維；其次，衛(wèi)星的天線、相機(jī)等設(shè)備要求很高的精度，還要解決熱變形的問題，碳纖維正好具有這方面的優(yōu)勢(shì)。所以現(xiàn)在包括北斗衛(wèi)星在內(nèi)的高性能衛(wèi)星都是碳纖維復(fù)合材料制做的。

碳纖維還是提升競(jìng)技體育成績(jī)的一個(gè)制勝法寶，在體育器材上應(yīng)用廣泛。碳纖維的網(wǎng)球拍現(xiàn)在已經(jīng)成為冠軍選手必備的裝備。用碳纖維制作的網(wǎng)球拍，最高球速可以達(dá)到每小時(shí)近250千米，而高性能的鋁合金網(wǎng)球拍只能達(dá)到每小時(shí)200千米左右，速度提高了20%以上。

碳纖維將是第四次工業(yè)革命的一個(gè)重要物質(zhì)支撐。在即將到來(lái)的星際航行、清潔能源和人工智能時(shí)代，碳纖維也將大有作為。人類要進(jìn)入宇宙空間，要探索月球，要進(jìn)行載人登月，要探測(cè)火星，也有可能要進(jìn)行載人火星探測(cè)，要探索其他行星和小行星。從進(jìn)入宇宙空間到駐留宇宙空間，再到探索宇宙空間，包括今后建立宇宙空間的科考站，碳纖維都是不可或缺的。

人工智能時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，以機(jī)器人為代表的智能裝備，首先必須解決結(jié)構(gòu)重量的問題，要輕量化，以保證它們的行走里程、續(xù)航時(shí)間等指標(biāo)的達(dá)成。另外，這些智能裝備必須具備動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。碳纖維的復(fù)合材料在這些方面擁有其他材料無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。