材料里的“黑黄金”

周军

小到球拍、钓鱼竿等民用产品，大到飞机、卫星和导弹等高精尖设备，都是碳纤维大展身手的领域。

一桶标准的碳纤维，重约1千克，长15000米。它的颜色黑黑的，其貌不扬，但是它确实很神奇。它是由我们人造的有机纤维经过高温转化得到的含碳量达到90%以上的一种无机纤维，也叫“黑黄金”。为什么说是神奇的碳纤维呢？主要体现在五个方面：

第一是细如发丝。碳纤维直径大约为5～8微米。

第二是轻如鸿毛。碳纤维的密度是钢的五分之一，是钛的五分之二，是铝的五分之三。用碳纤维做成的自行车，重量仅仅5千克。一位女士单手就可以很轻易地把它提起来。

第三是强如钢铁。首先，它的强度高，一束标准的12K碳纤维可以承受130千克左右的重量；其次，碳纤维非常耐高温，在3000℃下依然安然无恙。

第四是制备非常难。它的制备难度是可以与航空发动机制造、芯片制造、微纳制造比拟的，也是集人类工业文明之大成的杰作之一。

第五是贵如黄金。因为碳纤维的制备非常难，流程非常长，所以它非常贵。目前宇航级的碳纤维的价格约在每千克千元到万元这个范围，是钢和铝合金的几十倍。

碳纤维还有很多其他优点，如它的耐腐蚀性能好，能耐各种酸、碱、油，还包括海洋环境。它的耐腐蚀性能优于黄金和白金。同时，碳纤维还有一个非常奇特的特点，就是它的膨胀系数接近0，在-100℃到100℃之间，它的尺寸基本保持不变。另外，把碳纤维做成复合材料以后，它的抗疲劳性能非常好。

碳纤维是航空航天竞争力的一个重要标志。中国已经成为世界上第三个自主拥有卫星导航系统的国家。在这方面碳纤维是功不可没的。北斗卫星看起来就像一座房子带着两只翅膀。它的“房子”和“翅膀”都是用碳纖维复合材料做的。为什么要用碳纤维？首先，卫星要装足够多的仪器设备，要求它的结构重量比要小于5%，所以必须用碳纤维；其次，卫星的天线、相机等设备要求很高的精度，还要解决热变形的问题，碳纤维正好具有这方面的优势。所以现在包括北斗卫星在内的高性能卫星都是碳纤维复合材料制做的。

碳纤维还是提升竞技体育成绩的一个制胜法宝，在体育器材上应用广泛。碳纤维的网球拍现在已经成为冠军选手必备的装备。用碳纤维制作的网球拍，最高球速可以达到每小时近250千米，而高性能的铝合金网球拍只能达到每小时200千米左右，速度提高了20%以上。

碳纤维将是第四次工业革命的一个重要物质支撑。在即将到来的星际航行、清洁能源和人工智能时代，碳纤维也将大有作为。人类要进入宇宙空间，要探索月球，要进行载人登月，要探测火星，也有可能要进行载人火星探测，要探索其他行星和小行星。从进入宇宙空间到驻留宇宙空间，再到探索宇宙空间，包括今后建立宇宙空间的科考站，碳纤维都是不可或缺的。

人工智能时代已经到来，以机器人为代表的智能装备，首先必须解决结构重量的问题，要轻量化，以保证它们的行走里程、续航时间等指标的达成。另外，这些智能装备必须具备动态响应特性。碳纤维的复合材料在这些方面拥有其他材料无可比拟的优势。