碳纖維是主要由碳組成的紡織品。它是通過將各種基于碳的聚合物紡成纖維，對其進行處理以去除大部分其他物質，然后將所得材料織成織物來生產的。通常將其嵌入塑料（通常為環氧樹脂）中以形成碳纖維增強塑料或碳纖維復合材料。該材料最顯著的特征是其高的強度重量比和相對的化學惰性。這些特性為它提供了廣泛的應用，但是它的使用由于價格昂貴而受到限制。

這種材料的生產通常基于聚丙烯腈（PAN）（一種用于服裝的合成紡織品中的塑料）或瀝青（一種由石油制成的焦油狀物質）。瀝青首先被紡成股，但PAN通常以纖維形式開始。通過強力加熱將它們轉化為碳纖維，以去除其他元素，例如氫，氧和氮；這個過程稱為熱解。在此過程中拉伸纖維有助于消除可能削弱最終產品的不規則性。

原始纖維首先在空氣中并在張力下被加熱到590°F（300°C），此過程稱為氧化或穩定化。這將從分子中除去氫，并將纖維轉變成機械上更穩定的形式。然后在無氧狀態下將它們加熱到約1,830°F（1,000°C），此過程稱為碳化。這樣可以去除更多的非碳材料，大部分留下碳。

當需要高質量，高強度的纖維時，會進行進一步的階段，即石墨化。將該材料加熱到1,732至5,500°F（1,500至3,000°C）之間，以將碳原子的形成轉化為類石墨結構。這也去除了大部分殘留的非碳原子。術語“碳纖維”用于碳含量至少為90％的材料。當碳含量大于99％時，該材料有時稱為石墨纖維。

如今，碳纖維被用于建筑橋梁和隧道以及其他土木工程項目。

產生的原始碳纖維不能與用于制造復合材料的物質很好地粘合，因此通過使用適當的化學物質進行處理會使其被輕度氧化。添加到結構中的氧原子使其能夠與塑料（例如環氧樹脂）形成鍵。涂上薄薄的保護涂層后，將其編織成所需尺寸的紗線。這些反過來又可以織成織物，然后通常摻入復合材料中。

結構與性質

單根纖維的直徑約為0.0002至0.0004英寸（0.005至0.010毫米）。紗線由成千上萬的這些股線編織在一起形成非常堅固的材料。在每條鏈中，碳原子的排列方式與石墨類似：六角環連接在一起形成薄片。在石墨中，這些板是平坦的，并且彼此之間松散地粘合在一起，因此它們很容易滑開。在碳纖維中，薄片被折疊和弄皺，并形成許多細小的，互鎖的晶體，稱為微晶。制造中使用的溫度越高，這些微晶沿著纖維軸的取向就越多，強度也就越高。

在復合材料中，纖維本身的取向也很重要。依此，材料可以在某個方向上增強，也可以在所有方向上增強。在某些情況下，一小塊可以承受許多噸的沖擊，并且變形仍然很小。纖維復雜的交織性質使其很難斷裂。

就強度/重量比而言，碳纖維復合材料是文明可以大量生產的最佳材料。最強的強度大約是鋼的五倍，并且重量輕得多。正在研究將碳納米管引入材料的可能性，這種方法可將強度重量比提高10倍或更多。

它具有的其他有用特性是其耐高溫的能力和惰性。分子結構像石墨一樣非常穩定，賦予其高熔點，使其與其他物質發生化學反應的可能性降低。因此，它對于可能受熱的部件以及需要耐腐蝕的應用很有用。

用途

碳纖維用于許多需要高強度和低重量的地區。其中包括公共和私人交通工具，例如汽車，飛機和航天器；運動器材，例如賽車，滑雪板和釣魚竿；和建設。該材料的相對惰性使它非常適合于化學工業和醫學應用-由于它不會與體內物質發生反應，因此可以用于植入物。在土木工程中，已經確定可以通過較便宜的簡單碳纖維增強材料避免舊橋的破壞和重建。

經濟學

截至2013年，碳纖維的用途和需求受到其成本的限制。用復合材料制成的自行車通常要花費幾千美元左右。一級方程式賽車的時速超過200英里/小時（320公里/小時），其制造和維護成本可能超過一百萬美元，這在很大程度上取決于這種材料的慷慨使用。然而，需求的大幅增長主要是由于大型商用飛機產量的增加。如果可以顯著降低成本，則它可能會成為用于具有極高耐用性和輕便性的車輛和小型產品的通用材料。