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摘 要：“碳”元素构成了多种多样的物质，包括金刚石、石墨等。由具有强韧性的碳制成的纤维被称为碳纤维（Carbon Fiber）。目前，碳纤维在航空航天领域、产业领域、体育用品等各个领域的需求正在迅速扩大中。为什么现在碳纤维备受关注？碳纤维到底有什么样的特性呢？本文邀请了碳纤维研究的第一人、现任金泽工业大学高信赖理工研究中心所长——影山和郎对此进行了详细的说明。
关键字：碳纤维、PAN基碳纤维、沥青基碳纤维、复合材料、成型方法
在现代社会中，一听到“碳”，很多人就会联想到“脱碳”、“碳中和”等关键词。
这里所说的“碳”指的是导致全球变暖的主要因素二氧化碳（CO2），因此严格来讲应该称之为“脱二氧化碳”、“CO2中和”。
碳元素广泛存在于石油、煤、木炭等有机化合物中，也以碳单质（同素异形体）的形式存在，构成金刚石、石墨等多种物质。
有机化合物内的碳通过燃烧等方式与氧结合而变成CO2释放出来，如果此时阻隔氧气，使其不完全燃烧，就能单独提取出碳。具有代表性的便是木炭，其易于生成，人类从公元前就已开始手工制作木炭。
以纤维的形式生成的碳便是碳纤维。
影山和郎在介绍碳纤维诞生历史时说道：“制作线状的碳并不难。例如，爱迪生用日本竹子制作的白炽灯用碳丝很有名。但是，控制碳（石墨）的晶体结构以制作出均匀、无缺陷且高强度的碳纤维非常困难。在距今约60年前，人们创新地赋予碳纤维以强度。最早制作出碳纤维的是美国联合碳化物公司，几乎同一时间，日本通商产业省（现经济产业省）工业技术院的进藤昭男博士也发明了使用“聚丙烯腈”这种丙烯纤维的PAN基*碳纤维的基本技术。”
*使用丙烯纤维的碳纤维被分为PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。沥青基碳纤维是以石油、煤等的副产物为原料，经高温炭化而制成的纤维。
影山教授从东京大学毕业后，于1981年进入通商产业省工业技术院机械技术研究所。接触碳纤维后，开始致力于新一代产业基础技术研发制度与复合材料的研发，他曾说“我的研究生涯与碳纤维相伴”。
用作碳纤维原料的纤维（前驱体）的直径为5~15微米/根，仅为头发丝的1/10。对这种细纤维进行耐火化处理后，再进行加热碳化处理，就制成了牢固的碳纤维。碳原子之间的结合非常牢固，并且密度较低。也就是说，碳纤维最大的特点是轻又强。
“比如，与机械部件中经常使用的不锈钢相比，碳纤维的拉伸强度约为其10倍。密度（单位体积的质量）约为其1/4，比强度（单位重量的强度）约为其40倍，因此，碳纤维具有轻量化的机械特性，能够为节能化做出显著贡献。碳纤维不仅强度高，弹性模量也较高，这种特性是现有其他材料所不具备的。可以说碳纤维是广泛应用于我们周边产品的工业材料中，人类所获得的最强大的材料。”
简单而言，强度和弹性模量的区别在于，强度是“不易损坏”的程度，而弹性模量是“不易变形”的程度。也就是说，如果部件所需要的强韧性条件相同的话，碳纤维可以制作得更轻；而如果重量相同的话，碳纤维可以制作得更坚韧。
影山教授正在阐述物质的弹性模量与强度的关系。有的物质强度高但容易变形（=弹性模量低），也有的物质则正好相反。碳纤维的强度和弹性模量都远远优于金属和其他化学纤维，而且很轻。
“作为PAN基碳纤维原料的聚丙烯腈还用作服装等普通材料，而碳纤维材料中使用的是与之不同的特殊聚丙烯腈。这种材料的发现大幅提高了碳纤维的性能，也为东丽株式会社实现碳纤维的实用化奠定了基础。”
如前所述，最先制造出碳纤维的是美国企业，但将碳纤维性能提高到足以用于工业产品的则是东丽等日本合成纤维制造商。
继PAN基碳纤维之后，还开发出了沥青基碳纤维。吴羽化学工业株式会社（现更名为株式会社KUREHA）开发出由棉花那样的短纤维构成，用于绝热材料等的各向同性沥青基碳纤维。三菱树脂株式会社（现更名为三菱化学株式会社）和日本石墨纤维株式会社成功将高弹性模量的各向异性沥青基碳纤维工业化，这种碳纤维也应用于人造卫星的结构等。
在碳纤维制造领域，日本可以说是走在世界前沿。
（图片来自东丽株式会社）
供给至全球市场的PAN基碳纤维中的约6成由日本制造商生产。全球的PAN基碳纤维产能为15.8万吨，其中，东丽、帝人株式会社、三菱化学三家公司的产能为8.34万吨，占总产能的一半以上。
然而，尽管碳纤维的机械特性十分优异，其在纤维状态下用作工业产品的用途还是很少。进藤博士确立了PAN基碳纤维的基本技术，但他自己起初也没有察觉到碳纤维作为“塑料材料的增强材料”的可能性，在研究论文中只强调了碳纤维用作线或布时的柔软性，而忽视了其高弹性。
CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics，碳纤维增强复合材料）是将碳纤维用作树脂加强材料的复合材料。CFRP以环氧树脂等树脂为母材，使用碳纤维作为加强材料。可以说CFRP的诞生真正体现了碳纤维的价值。
“CFRP根据选择哪种树脂作为母材，选择怎样的碳纤维，从什么样的方向放入碳纤维，以什么样的制造方法制造等不同的选择，可以赋予适合各个使用部位的各种特性。例如，在同一架飞机中，在主翼等笔直且希望提高强度的部位使用碳纤维沿单一方向排列而成的CFRP，而在弯曲的部位使用织物材料的CFRP。”
CFRP能够在保持碳纤维特有的韧性的同时，塑造成任意形状。因此，从工业机械到飞机、赛艇等的船体、体育用品等，CFRP得到广泛应用。
CFRP的市场从上世纪80年代开始逐渐形成，在工业领域的用途从90年代后半期开始剧增。特别是2010年以后，CFRP的需求急速扩大，到2020年已经达到了12464亿日元（约630亿元）的全球市场规模。
今后，CFRP的市场规模还将继续扩大，预计到2035年将达到现在的近3倍。
风力发电机的叶片可长达100米。为了防止弯曲，必须使用被称为翼梁帽（Spar Cap）的CFRP制加固板。
在今后的市场中，尤其备受期待的是CFRP在风力发电叶片中的应用。
“风力发电的叶片主体由玻璃纤维增强复合材料（GFPR）制成，大型叶片可能会弯曲，导致撞到支架或破损。因此，为了防止弯曲，会在叶片中加入被称为翼梁帽的CFPR制增强材料。现在，世界上的风力发电正在不断增加，今后海上风力发电将会使用大型叶片，因此对CFRP的需求将会越来越高。”
除能源领域外，CFRP在汽车领域的应用也有望扩大。
在车身轻量化直接影响续航距离等性能的电动汽车（EV）等领域，致力于普及CFRP作为进一步提高性能的材料。此外，要求轻量性和高强度的氢燃料电池车（FCV）中的储氢罐等也只能采用CFPR。
其他材料无法代替，这正是CFRP的优势所在。
在今后实现脱碳社会的道路上，碳纤维是不可或缺的存在。
虽然CFRP备受期待，但大规模量产仍面临很多课题。
首先是制造碳纤维需要大量的能源。在现有的制造方法中，必须进行纤维的耐火化、加热碳化等复杂且高耗能的预处理，导致成本较高。除此之外，还存在难以大量合成，无法增加供给量的问题。
“2011年开始的（日本）经济产业省的国家项目《创新碳纤维基础技术开发》中，在我和东京大学领导的产学官合作体制下，开发出了新的制造方法。该方法不需要现有方法所需的耐火化工艺，而是引入最新技术，代替外部加热，利用微波来碳化，可以大幅降低制造过程所需的能量。经确认，在相同原料的条件下，可以获得不逊色于现有PAN基碳纤的弹性和强度。”
关于《创新碳纤维基础技术开发》项目，目前项目参与企业仍在继续进行实用化研究。虽然不可避免地需要生产制造设备的大幅更换，但新工艺的技术可行性已经得到验证，今后的实用化前景值得期待。
同时，在制造CFPR的工艺中，已出现了各种各种的成型方法来代替以往通过高压釜（用于使树脂变成高温高压的专用炉）使其硬化的成型方法。例如，将树脂注入模具的RTM（Resin Transfer Molding，树脂传递模塑）成型法，利用热塑性树脂（具有在高温下软化、冷却后硬化的性质）代替热固性树脂的射出成型法等。目前，正在逐渐降低生产能耗，缩短时间，削减成本。在不久的将来，伴随着市场的进一步扩大，将有望通过量产的规模效应来降低成本。
另一个课题是可回收性。目前，一般金属和树脂的回收利用取得了很大进展，而大部分碳纤维还无法回收利用，主要依靠填埋处理。
“这是由碳纤维和树脂混合而成的CERP的结构性问题。要提取出碳纤维，就必须去除所有树脂，因此正在讨论各种方法来解决这个问题，包括热分解法和化学溶解法等。即使在技术上可行，但是如果为了回收利用而消耗大量的能源，那就本末倒置了。现在，我们正在寻找适当的平衡，以提高可回收性。”
影山教授不仅开发了碳纤维和CFRP的新制造方法，还探索出了碳纤维在美洲杯帆船赛等广泛领域中的应用方法。
今后，如果碳纤维能够得到回收利用，则一定会形成利用再生产品的新市场。但是除此之外，影山教授还有其他方法来为环境保护作出贡献。
“如果回收利用很难实现的话，那不妨制作使用寿命极长的产品，比如建筑和桥梁等的结构。CFRP这种材料不仅坚韧，化学性质也极其稳定，具有极高的耐久性。可以轻松地支持100年左右，即使钢铁和混凝土等建材腐化了，碳纤维也能留存到最后。”
即便如此，碳纤维在100年后也会到达使用寿命，不过届时回收技术自然已得到发展，碳纤维作为可以再利用的碳资源，其稀有价值将受到关注。
正确认识碳纤维的优良特性，并发挥其独特作用，将有助于人类社会完成巨大的创新。
翻译：肖永红
审校：贾陆叶
李 涵
统稿：李淑珊
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