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摘 要：“碳”元素构成了多种多样的物质，包括金刚石、石墨等。由具有强韧性的碳制成的纤维被称为碳纤维（Carbon Fiber）。目前，碳纤维在航空航天领域、产业领域、体育用品等各个领域的需求正在迅速扩大中。为什么现在碳纤维备受关注？碳纤维到底有什么样的特性呢？本文邀请了碳纤维研究的第一人、现任金泽工业大学高信赖理工研究中心所长——影山和郎对此进行了详细的说明。
关键字：碳纤维、PAN基碳纤维、沥青基碳纤维、复合材料、成型方法
在现代社会中，一听到“碳”，很多人就会联想到“脱碳”、“碳中和”等关键词。
这里所说的“碳”指的是导致全球变暖的主要因素二氧化碳（CO2），因此严格来讲应该称之为“脱二氧化碳”、“CO2中和”。
碳元素广泛存在于石油、煤、木炭等有机化合物中，也以碳单质（同素异形体）的形式存在，构成金刚石、石墨等多种物质。
有机化合物内的碳通过燃烧等方式与氧结合而变成CO2释放出来，如果此时阻隔氧气，使其不完全燃烧，就能单独提取出碳。具有代表性的便是木炭，其易于生成，人类从公元前就已开始手工制作木炭。
以纤维的形式生成的碳便是碳纤维。
影山和郎在介绍碳纤维诞生历史时说道：“制作线状的碳并不难。例如，爱迪生用日本竹子制作的白炽灯用碳丝很有名。但是，控制碳（石墨）的晶体结构以制作出均匀、无缺陷且高强度的碳纤维非常困难。在距今约60年前，人们创新地赋予碳纤维以强度。最早制作出碳纤维的是美国联合碳化物公司，几乎同一时间，日本通商产业省（现经济产业省）工业技术院的进藤昭男博士也发明了使用“聚丙烯腈”这种丙烯纤维的PAN基*碳纤维的基本技术。”
*使用丙烯纤维的碳纤维被分为PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。沥青基碳纤维是以石油、煤等的副产物为原料，经高温炭化而制成的纤维。
影山教授从东京大学毕业后，于1981年进入通商产业省工业技术院机械技术研究所。接触碳纤维后，开始致力于新一代产业基础技术研发制度与复合材料的研发，他曾说“我的研究生涯与碳纤维相伴”。
用作碳纤维原料的纤维（前驱体）的直径为5~15微米/根，仅为头发丝的1/10。对这种细纤维进行耐火化处理后，再进行加热碳化处理，就制成了牢固的碳纤维。碳原子之间的结合非常牢固，并且密度较低。也就是说，碳纤维最大的特点是轻又强。
“比如，与机械部件中经常使用的不锈钢相比，碳纤维的拉伸强度约为其10倍。密度（单位体积的质量）约为其1/4，比强度（单位重量的强度）约为其40倍，因此，碳纤维具有轻量化的机械特性，能够为节能化做出显著贡献。碳纤维不仅强度高，弹性模量也较高，这种特性是现有其他材料所不具备的。可以说碳纤维是广泛应用于我们周边产品的工业材料中，人类所获得的最强大的材料。”
简单而言，强度和弹性模量的区别在于，强度是“不易损坏”的程度，而弹性模量是“不易变形”的程度。也就是说，如果部件所需要的强韧性条件相同的话，碳纤维可以制作得更轻；而如果重量相同的话，碳纤维可以制作得更坚韧。
