碳纤维是直径约5-10微米的纤维，主要由碳原子组成。碳纤维具有刚度高、抗拉强度高、重量轻、耐化学腐蚀、耐高温、热膨胀小等优点。这些特性使得碳纤维在航空航天、土木工程、赛车运动以及其他竞技运动中非常受欢迎。但是，与玻璃纤维或其他塑料纤维等类似纤维相比，它们相对昂贵。

01 碳纤维的分类

按照前驱体纤维类型，碳纤维可以分为：

聚丙烯腈（PAN）基碳纤维

沥青基碳纤维黏胶基碳纤维

其他类型碳纤维（如木质素基碳纤维、聚丙烯基碳纤维等等）

按照纤维力学性能（拉伸模量），碳纤维可以分为

超高模量碳纤维（Ultra-high-modulus，UHM，模量＞500GPa）

高模量碳纤维（high-modulus，HM，模量350-500GPa）

中等模量碳纤维（Intermediate-modulus，IM，模量250-300GPa）

标准模量碳纤维（Standard-modulus,模量230-250GPa）

低模量碳纤维（Low modulus，LM，模量<100Gpa，抗拉强度>3.0Gpa）

根据最终热处理温度，碳纤维分为：

I型，高热处理碳纤维（high-heat-treatment，HTT），最终热处理温度在2000°C以上，可与高模量型碳纤维相关联

II 型，中间热处理碳纤维 (intermediate-heat-treatment，IHT)，最终热处理温度在 1500°C 左右或以上，可以与高强度型碳纤维相关联

III 型，低热处理碳纤维，最终热处理温度不超过 1000°C。这些是低模量和低强度碳纤维材料。

02 碳纤维的特性

具有高强度重量比（也称为比强度）：材料的强度是失效时每单位面积的力除以其密度。任何坚固且轻便的材料都具有良好的比强度，如铝、钛、镁、碳纤维、玻璃纤维、高强度钢合金等。

非常坚硬：材料的刚性或刚度通过其杨氏模量（拉伸模量）来衡量，来反映材料在应力下的挠曲程度。碳纤维增强塑料的硬度是玻璃纤维增强塑料的 4 倍以上，几乎是松木的 20 倍，是铝的 2.5 倍。 

耐腐蚀且化学稳定：虽然碳纤维本身不会变质，但环氧树脂对阳光很敏感，需要加以保护。

抗疲劳性好：碳纤维复合材料的抗疲劳性很好，测试表明，当循环应力与纤维取向一致时，失效不太可能成为问题。碳纤维在疲劳强度和静态强度以及刚度方面均优于 E 玻璃。

耐火/不可燃：根据制造工艺和前驱体材料，碳纤维可以非常柔软，可以制成或更经常集成到消防防护服中。因为碳纤维在化学上也是非常惰性的，它可以在有火与腐蚀剂结合的地方使用。

热膨胀系数低：这是衡量材料在温度升高或降低时膨胀和收缩的程度。低热膨胀系数使碳纤维适用于至关重要的应用。如望远镜和其他光学机械。

无毒、生物惰性、可透过 X 射线：这些特点使碳纤维可用于医疗应用。假肢使用、植入物和肌腱修复、X 射线附件手术器械都在开发中。

碳纤维主要劣势在于：尽管它提供了强度、刚性和轻量化的特殊优势，但成本是一个不利因素。此外，由于纤维层与层之间由强共价键形成，片状聚集体很容易使裂纹扩展，因此碳纤维很脆，当纤维弯曲时，它们会在非常低的应变下失效。

03 碳纤维的特性应用

（主要参考：Carbon Fibres: Production, Properties and Potential Use）