用飞纳电镜看碳纤维的真面目

碳纤维是一种新材料，广泛应用于诸多行业领域，可以高端至制造大型飞机机身，也可以低端至用于高尔夫球杆等体育用品。碳纤维的物理特性是坚硬又有韧性，比重为铁的 1/4，强度却相当于后者的 10 倍，并具有弹性，可用来制作铀浓缩离心分离机零件等或被用于大规模杀伤性武器。日本因其具有军事用途而严格限制出口。日本对碳纤维的需求十分稳定，美国波音飞机机身制造有 1/3 的工作外包在日本完成。据公开的市场研究，小丝束碳纤维技术目前被日本东丽、东邦和三菱等企业控制，市场占有率 70%，大丝束碳纤维由美国卓尔泰克、德国西格里公司和日本东邦集团控制，市场占有率 80% 左右。中国的碳纤维技术目前比较落后，该行业尚处于起步阶段，但发展势头迅猛。

2015 年 5 月 21 日，全国碳纤维产业发展大会暨威海市碳纤维产业创新发展论坛举行，威海获正式批准建设首个国家碳纤维及其复合材料产业基地。威海国家碳纤维及其复合材料产业基地的建设能够推动我国碳纤维产业朝着更加高端的方向发展。笔者有幸用扫描电镜测试过其他课题组做的碳纤维样品。所用电镜为飞纳台式扫描电镜 Phenom Pro。观察的碳纤维为纤维束中的一根纤维。

由上图可见，碳纤维是一种直径非常均匀的纤维，观察的纤维直径为 25.7 um，而且其表面有几十纳米到几百纳米的条状沟槽，正是这些细微的沟槽使得碳纤维拥有巨大的比表面积，使其比重很轻。