材料里的“黑黃金”

周軍

小到球拍、釣魚竿等民用產品，大到飛機、衛星和導彈等高精尖設備，都是碳纖維大展身手的領域。

一桶標準的碳纖維，重約1千克，長15000米。它的顏色黑黑的，其貌不揚，但是它確實很神奇。它是由我們人造的有機纖維經過高溫轉化得到的含碳量達到90%以上的一種無機纖維，也叫“黑黃金”。為什么說是神奇的碳纖維呢？主要體現在五個方面：

第一是細如發絲。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，重量僅僅5千克。一位女士單手就可以很輕易地把它提起來。

第三是強如鋼鐵。首先，它的強度高，一束標準的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℃下依然安然無恙。

第四是制備非常難。它的制備難度是可以與航空發動機制造、芯片制造、微納制造比擬的，也是集人類工業文明之大成的杰作之一。

第五是貴如黃金。因為碳纖維的制備非常難，流程非常長，所以它非常貴。目前宇航級的碳纖維的價格約在每千克千元到萬元這個范圍，是鋼和鋁合金的幾十倍。

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

碳纖維是航空航天競爭力的一個重要標志。中國已經成為世界上第三個自主擁有衛星導航系統的國家。在這方面碳纖維是功不可沒的。北斗衛星看起來就像一座房子帶著兩只翅膀。它的“房子”和“翅膀”都是用碳纖維復合材料做的。為什么要用碳纖維？首先，衛星要裝足夠多的儀器設備，要求它的結構重量比要小于5%，所以必須用碳纖維；其次，衛星的天線、相機等設備要求很高的精度，還要解決熱變形的問題，碳纖維正好具有這方面的優勢。所以現在包括北斗衛星在內的高性能衛星都是碳纖維復合材料制做的。

碳纖維還是提升競技體育成績的一個制勝法寶，在體育器材上應用廣泛。碳纖維的網球拍現在已經成為冠軍選手必備的裝備。用碳纖維制作的網球拍，最高球速可以達到每小時近250千米，而高性能的鋁合金網球拍只能達到每小時200千米左右，速度提高了20%以上。

碳纖維將是第四次工業革命的一個重要物質支撐。在即將到來的星際航行、清潔能源和人工智能時代，碳纖維也將大有作為。人類要進入宇宙空間，要探索月球，要進行載人登月，要探測火星，也有可能要進行載人火星探測，要探索其他行星和小行星。從進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。

人工智能時代已經到來，以機器人為代表的智能裝備，首先必須解決結構重量的問題，要輕量化，以保證它們的行走里程、續航時間等指標的達成。另外，這些智能裝備必須具備動態響應特性。碳纖維的復合材料在這些方面擁有其他材料無可比擬的優勢。