在碳纖維越來越普及的當下，還是有很多人並不知道到底碳纖維是什麼，為什麼這麼結實。甚至有人發現碳纖維分小絲束和大絲束，但小絲束居然比大絲束還要貴很多，這又是為什麼呢？今天我們就來聊聊這個話題。
首先說什麼是碳纖維。簡單來說就是一種很結實的絲線，是一種人造纖維，通過把有機的纖維絲線碳化變成無機碳纖維，含碳量超過90%。這種絲線做成繩索，比鋼纜還要結實，碳纖維的強度能達到鋼纜的7-9倍，同時又比鋼纜輕很多，密度只有鋼絲的五分之一。雖然碳纖維很貴，每公斤至少也得一百塊錢以上，高檔的甚至一公斤大幾百塊錢，但是貴有貴的道理，同時貴也有貴的價值。
傳統上，碳纖維用來造飛機、造火箭、造高檔汽車、造高檔體育用品，總之就是高大上的代名詞。現在，隨著生產技術的調整，產品價格的降低，碳纖維開始造風力發電機的扇葉，也會用來替代鋼纜製造大型橋樑的繩纜，用來在混凝土中替代鋼筋的作用，未來還有越來越多的用途。
中國從被別國限制購買碳纖維，到現在已經是世界上碳纖維產量最高的國家，擁有世界上43%的產量，同時也是世界上最大的碳纖維市場。經過多年努力，中國不僅解決了軍工航天用高端碳纖維的卡脖子問題，同時也解決了低成本大絲束碳纖維的生產工藝問題，為下一步碳纖維產業發展奠定了良好的基礎。但是，也必須強調，國產碳纖維無論是高端碳纖維，還是新興的大絲束碳纖維，性能和成本上都與國外成熟企業有差距，還有很大的進步空間，需要繼續努力。下邊我們簡單介紹一下碳纖維性能優勢的小秘密。
唐代詩人白居易曾有「伐薪燒炭南山中」這樣的詩句，可見把有機物碳化是人類千年前就已經掌握的技能，並不是什麼新技術。為啥一個碳纖維生產工藝卻成為發達國家對外封鎖的關鍵技術呢？甚至連高檔的碳纖維產品都不允許銷售給中國，就怕中國應用到軍事用途。這裡面到底有什麼秘密呢？
沒錯，碳化技術並不是什麼神奇的技術，碳化纖維也不是什麼神秘的物質，早在愛迪生那個年代，就已經把棉線製作成碳纖維來製作白熾燈燈絲了。但是，碳化的棉線跟現在的碳纖維比起來簡直就弱爆了，你可以自己在家做一條碳化的棉線試試，稍微一試你就知道，這樣的碳纖維別說替代鋼筋，就算替代原來的棉線也做不到，輕輕一扯就會斷掉。就像我們用木頭燒出來的木炭一樣，並不是很堅硬，反而非常脆，一點也不結實。
現在的碳纖維生產技術，裡面蘊藏著非常複雜的化學反應原理，需要非常科學而嚴謹的生產工藝，不是隨便找過來一條絲線碳化一下就可以叫做碳纖維了，今天的碳纖維對材料的性能有嚴格的標準，達不到標準的只能算廢品或者殘次品。能用來製作碳纖維的原材料目前來說主要有三種，分別是聚丙烯氰、瀝青和黏膠。其中目前使用最多的是聚丙烯氰，90%以上的碳纖維都是用這種材料來製造的。
為啥不能用棉線來碳化，也不能用傳統塑料絲線碳化，而要特別選擇聚丙烯氰呢？簡單來說就是用聚丙烯氰製造出來的碳纖維材料更結實。
聚丙烯氰，結構非常特殊，每個單體除去氫原子以外的骨架有五個原子，四個碳原子，一個氮原子，發生聚合後，有兩個碳原子跟其它單體首尾相接形成一條鏈，還剩下兩個碳原子一個氮原子在外面形成分叉，一個聚丙烯氰分子就像一條拉鏈的一半一樣，向外伸展這枝杈。然後再把這樣的分子進行輕度氧化，控制好條件，就可以把外面的這些分叉連接起來，形成類似於梯子的結構，只不過這個梯子的每個格子不是方形的而是六邊形的。一旦形成梯子，也就是化學上說的環化以後，本來由一條線連接的繩子就變成了由兩條線連接的繩子，明顯就比原先結實多了。
這還不算完，後面還有碳化的過程。碳化的過程中，這些環狀的梯子會丟掉一些枝枝杈杈，梯子和梯子之間還會結合成網絡結構，最終形成石墨烯的分子，大家都知道石墨烯是非常結實的一種物質，甚至可以認為比金剛石還要結實。本來的聚丙烯氰纖維只是一條帶分叉的線，經過氧化和碳化，就變成了石墨烯網絡，強度提升了很多倍。這就是聚丙烯氰製造的碳纖維足夠結實的秘訣之所在。其他絲線想變成石墨烯結構要困難得多。
原理都知道了，為啥只有日本和美國才能批量生產最高標準的碳纖維材料呢？關鍵就是生產工藝並不總是按照大家預想的那樣去完成各種反應。畢竟聚丙烯氰分子只是肉眼看不到的小絲線，怎樣讓它們乖乖地按照人們設想的去排隊，按照人們設想的去完成後面的反應，是非常考驗技術的，廢品率還是很高的。關於生產中的那些難題我們後面再專門介紹。
總的來說，像日本東麗這樣的公司，沉浸高端碳纖維研發幾十年，從高質量的原絲生產，到高效的氧化碳化，一直到最終的產品，都有自己獨到的技術優勢，不是別人可以隨便模仿的。就連美國的軍用飛機都要使用日本公司生產的碳纖維，可見日本公司的技術之強。
再說說小絲束和大絲束的問題。
所謂小絲束和大絲束，指的是碳纖維絲線的粗細。小絲束是細線，大絲束是粗線。如果按前面說的聚丙烯氰原絲來看，就是一堆聚丙烯氰細絲編織在一起形成的。1000條細絲就是1K，3000條細絲就是3K，一般來說24K以下的就叫小絲束，25K以上的叫做大絲束，主流的大絲束碳纖維是48K以上的，未來還將有超過100K的巨絲束碳纖維。
正常來理解的話，應該是繩子越粗生產起來越困難，價格越高才對，為啥市場上反而小絲束的碳纖維更貴呢？其實絲束只是碳纖維的一個外形指標，關鍵還需要看性能指標，同時還要看生產成本的問題，更重要的是要看市場需求。
其實我們說小絲束要比大絲束碳纖維貴，主要的原因是小絲束碳纖維的性能要優於大絲束，目前性能最好的大絲束碳纖維，雖然在拉伸模量和比模量等性能指標上，也接近航天用小絲束碳纖維了，但跟最高端的小絲束碳纖維性能還是差不少。就拿拉伸強度來說，對於追求極致的應用來說，小絲束才是最佳選擇。就像高端手機晶片能選5nm工藝，就不會選28nm工藝。
之所以小絲束天生就比大絲束昂貴，很重要的一個原因是出身不一樣。小絲束碳纖維從一開始就是為航空航天用途研發的，使用專用的聚丙烯氰原絲，原材料成本就很高。這類專用原材料都是專門研發生產，有很高的技術門檻，而且是不對外銷售的。而大絲束碳纖維直接選用民用聚丙烯氰原絲，也就是比較普通的腈綸絲，原材料成本就比較低。
另外小絲束碳纖維通過了航空航天用途的嚴格測試，是航空航天選定的專用產品，而大絲束碳纖維即使標註的性能指標跟小絲束一樣，短期內也入不了航空航天的法眼。因為大絲束使用的民用原絲本身就有一定的缺陷，生產出來的碳纖維自然也不能保證性能優異，可靠性會差一些。而且大絲束碳纖維從一開始就是為中低端用途而研發的，比如風電扇葉、汽車領域、甚至建築行業。
大絲束從生產效率上來說，比小絲束碳纖維更加經濟，是碳纖維材料從高大上的航空航天應用到平民應用的必然路線。但是，大絲束碳纖維的生產比小絲束也有天然的劣勢。
碳纖維的生產，都是先生產聚丙烯氰原絲，然後再預氧化和碳化。大絲束和小絲束在原絲階段就已經區分開了，碳纖維工廠直接使用相應絲束的原絲來生產碳纖維。對於生產來說，不管是預氧化還是碳化，大絲束總會比小絲束更難控制性能。就拿預氧化流程來說，碳纖維越粗，氧化起來越困難，越難以實現均勻氧化。而氧化不均勻直接影響產品的性能，也會影響下一步碳化的效果。
相對來說，同樣是生產高性能碳纖維，小絲束的產品性能更穩定、質量可靠度更高。大絲束雖然也能達到相應的性能，但是殘廢品率更高、內部缺陷更多、性能穩定性更差，未來還有很大的提升空間。對於追求極致性能和高可靠性的航空航天行業來說，輕易也不太敢嘗試大絲束碳纖維。
隨著碳纖維生產成本不斷下降，新應用場景不斷出現，碳纖維產業必將迎來爆發，中國企業能否抓住機遇搶占市場高地，我們拭目以待。需要提醒一句的是，碳纖維不是鋼鐵，不是簡單提高產能就能占領市場的，需要在性能和成本上下功夫，不斷投入研發力量，讓自己的產品接受應用行業應用的驗證，才能在市場上站穩腳跟。否則，盲目上馬的項目，一定會被拍死在沙灘上。