02
为什么是“碳”纤维?
复合材料常常是能用一系列不同的材料合成的，在莫尼黑实验室中也能见到不少，但碳纤维往往在需要刚度和轻质的地方却是无可替代的。这可能是因为碳原子的特性，科学研究表明碳原子非常容易和其他原子成键。
碳元素是一种非常有意思的元素，自然界中最坚硬的东西（金刚石）是碳单质，硬度最低的物质之一（石墨）也是碳单质。一般来说，用碳制备的材料和用其他单质制得的材料物性一样，都跟原子/分子成键的方式以及原子/分子团聚的方式有关。在这里，我们不谈太高深的化学知识，仅做简单类比：碳原子的成键方式是多种多样的，就像六面都有双头螺钉的乐高积木一样，成键选择非常的多。
碳原子间的成键方式决定了材料的性质。对石墨材料，碳原子是一层层堆积的，同一平面上的碳原子间所成的键非常强，但平面间的碳原子所成的键比较弱，这使得石墨材料非常容易分离(也使得石墨导电性能非常好）。而对于金刚石，碳原子成的键是三维的，晶胞属于四方晶格，尽管单个键的键能比石墨的键能要低，但是它所有方向的键能都是相同的（表面原子除外），因此材料整体显得坚硬得多。
石墨中两个相邻的面，表明石墨的晶胞属于六方晶系
碳纤维材料极大地利用了碳原子的成键特性。碳纤维的原丝制备使用的原材料中，最常用的是聚丙烯氰纤维，即“PAN”，由C、H、N三种元素组成。得到的原丝非常的细，一般不到10微米厚。原料中的碳原子结构类似石墨分子，并会在处理过程中变为牢固的六方结构。
成千上万的碳纤维”线”缠绕在一起就变成了碳纤维”绳”，看起来就跟布纺织中用的线一样。将碳纤维线卷绕在一个绕线轮上，接下来将其浸泡在环氧树脂中或用固化剂处理，根据需求调整所用的方式。
03
织布机上开出的“碳纤维之花”
碳纤维的布状纹理和结构决定了它无法轻易成型，而成型是制备过程中必须经过的一步。通常情况下，碳纤维是被织布机“纺织”成型的。也就是说，碳纤维的成型过程就跟棉线纺织成布是一样的。
不过除了这种纺织成型的方式外，还有一种利用模具成型的方式。不像我们在通用研究中心的所看到的，这种方法并不需要用自动化传感机器人来抹浆成型，它是先准备一个模具，并在其中放入大量的碳纤维，压制成型的。对于这两种方法，理论上都是可行的，实际操作中选用哪种要对材料的要求，毕竟，使用不同方法成型得到的碳纤维材料的物性是有区别的。
碳纤维“布”通常都会有特殊的纹理和图案，这些导致了布本身的性质有差异。对某种特定的布，它可能在水平和竖直方向上的抗拉强度都不错，但在对角线放上却很容易发生形变。不同的碳纤维布会在不同的轴方向上体现出抗拉性，但总有一个方向的抗拉强度并不高。
不同的碳纤维布样品，中间部分就是碳纤维。可以看出它们的纹理各有不同。
当然，完全成型的碳纤维在任何方向上的抗拉强度都是很大的。通常，会将不同纹理的碳纤维布叠在一起成型，这样一来，得到的产物就在各个方向上都能达到预期的抗压强度，让整个碳纤维都显得很坚硬。
正如我们先前提到的，抹浆成型过程所使用的方法有很多。你可以选择用“织布机”将碳纤维线织成各种形状，或是用自动化机械内置的红外灯加热碳纤维线成型，甚至可以用手糊成型，人工地将环氧树脂和其他高分子与碳纤维混合起来。理论上，这些方法得到的产品应该具有一样的性质，固化后，你都将得到钢度比同体积的钢和铝更高的轻质复合材料。
碳纤维材料也有一个缺点，那就是它的脆性可能很大。尽管碳纤维的强度很高，但是它的晶格结构比钢和铝更容易破碎。
