碳纤维（CFRP）是一种纤维状碳材料，其含碳量高于90%；碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点。碳纤维的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在35000MPa以上，是钢的7.9倍，抗拉弹性模量为230000MPa～430000MPa，高于钢。因此CFRP的比强度，即材料的强度与其密度之比可达到20000MPa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为590MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，构件自重愈小；比模量愈高，构件的刚度愈大。这些性质预示了碳纤维在工程上的广阔前景。

    图1：碳纤维产品

    图2：碳纤维短纤

    碳纤维的分类有许多方法，按原料可分为聚丙烯腈（PAN）系碳纤维、沥青（Pitch）系碳纤维及粘胶系碳纤维。

    PAN碳纤维及其复合材料具有以下特征：（1）机械特性，与金属相比，密度小，质轻；模量高，高刚性；强度高；疲劳强度高；耐磨耗性、润滑性优良；振动衰减性优良；（2）耐热性、安定性，热膨胀系数小，尺寸稳定性好；具有导热性；在惰性气体中耐热性优良；（3）电传导及电磁波屏蔽性，具有导电性；具有电磁波屏蔽性；（4）X射线透过性优良；属多种导性材料，针对其目的可设计出适当的结构体。

    表1：碳纤维分类-按原料

    沥青系碳纤维具有的高弹性模量、高导热性等特性是聚丙烯腈系碳纤维所达不到的，通常以长纤维形态被利用。由于沥青系碳纤维为高模量级纤维，比弹性模量显著优良，故适合于支配刚性结构物轻量化并赋予其结构刚性。另外，沥青系碳纤维具有高导热性、低电阻、低热线性膨胀率及化学稳定性好等特性。

    依机械性能分类，可分为超高弹性率碳纤维(UHM类型)，弹性率600GPa以上，强度2500MPa以上；高弹性率碳纤维(HM类型)，弹性率350GPa～600GPa，强度2500MPa以上；中弹性率碳纤维(IM类型)，弹性率280GPa～350GPa，强度3500MPa以上；标准弹性率类型碳纤维(HT类型)，弹性率200GPa～280GPa，强度2500MPa以上；低弹性率碳纤维(LM类型)，弹性率200GPa以下，强度3500MPa以下。

    表2：碳纤维分类-按物理性质

    休闲领域：最早应用PAN碳纤维的是钓鱼竿，现在世界上碳纤维钓鱼竿的年生产量为1200万根左右，相当于碳纤维用量约1200吨；碳纤维在高尔夫球杆的应用是于1972年开始的，现在世界上碳纤维高尔夫球杆的年生产量约4000万根左右，相当于2000吨碳纤维的用量；网球拍的应用是从1974年开始的，目前世界上年生产碳纤维球拍约450万个，需碳纤维用量约500吨；在其他方面，碳纤维还广泛应用于滑雪板、雪船、滑雪杆、棒球棒、公路赛以及船舶类体育用品。

    工业领域：2007年，日本东丽公司与日产汽车等企业联手开发出了使用碳纤维的尖端材料，可大幅减轻汽车主要部件，如底盘的重量。新技术可使汽车整体重量减轻1成，提高燃效性能4%～5%；另外耐冲击性可达到原来的1.5倍。以高级乘用车为例，目前的钢铁底盘重量约达300kg，如果改用碳纤维与树脂合成的碳纤维强化塑料，则可降低到150kg左右，1.5t左右的汽车总重量由此可减轻1成。近年来以欧洲为中心，在渡轮、大型快艇和其他舟艇类方面，碳纤维的市场需求量正在增长。碳纤维在压力容器中也有广阔应用，主要用在压缩罐和空气呼吸器中，包括用碳纤维长丝缠绕所生产的所有罐类。

    航空航天：在宇航领域，由于高模量碳纤维的轻量性（刚性）、尺寸稳定性的导热性，早已应用于人造卫星等方面，近年来已开始应用于铱星等通信卫星。碳纤维制成的碳纤维增强塑料来，已经成为火箭、宇宙飞船的重要材料，还用于制造喷气式发动机等。

    家电领域：将碳纤维以短纤维的形式混入用于热塑性树脂中，具有补强、抗静电、电磁波屏蔽效果，可广泛应用于家用电器、办公室机器、半导体及其相关领域，具体有X射线医疗器械、电子器械等相关领域（除浓缩铀的旋转筒外）、各种机械部件、电器部件、伞类骨架、头盔等与生活相关的用品，以及卡车的构架、车辆的结构体、冷冻箱、家用电梯等新项目。

    建筑领域：主要通过碳纤维进行抗震补修和补强，这种方法在日本得到大量应用。这种施工法是将单向排列的碳纤维片材或织物状材料，用常温固化型的环氧树脂贴服于结构物表面而进行的补修与补强。公路桥的地面、横梁、建筑物和梁、构架以及烟筒等的弯曲补强中，碳纤维的模量变得格外重要。

    新能源领域。包括风力发电机叶片、燃料电池电极、飞轮等用途，碳纤维的成长趋势更是强劲。虽然风力发电用途目前尚待进一步推广，但这些应用领域都能充分发挥碳纤维的特长。

    图3：碳纤维桥梁加固实图