在碳纤维越来越普及的当下，还是有很多人并不知道到底碳纤维是什么，为什么这么结实。甚至有人发现碳纤维分小丝束和大丝束，但小丝束居然比大丝束还要贵很多，这又是为什么呢？今天我们就来聊聊这个话题。
首先说什么是碳纤维。简单来说就是一种很结实的丝线，是一种人造纤维，通过把有机的纤维丝线碳化变成无机碳纤维，含碳量超过90%。这种丝线做成绳索，比钢缆还要结实，碳纤维的强度能达到钢缆的7-9倍，同时又比钢缆轻很多，密度只有钢丝的五分之一。虽然碳纤维很贵，每公斤至少也得一百块钱以上，高档的甚至一公斤大几百块钱，但是贵有贵的道理，同时贵也有贵的价值。
传统上，碳纤维用来造飞机、造火箭、造高档汽车、造高档体育用品，总之就是高大上的代名词。现在，随着生产技术的调整，产品价格的降低，碳纤维开始造风力发电机的扇叶，也会用来替代钢缆制造大型桥梁的绳缆，用来在混凝土中替代钢筋的作用，未来还有越来越多的用途。
中国从被别国限制购买碳纤维，到现在已经是世界上碳纤维产量最高的国家，拥有世界上43%的产量，同时也是世界上最大的碳纤维市场。经过多年努力，中国不仅解决了军工航天用高端碳纤维的卡脖子问题，同时也解决了低成本大丝束碳纤维的生产工艺问题，为下一步碳纤维产业发展奠定了良好的基础。但是，也必须强调，国产碳纤维无论是高端碳纤维，还是新兴的大丝束碳纤维，性能和成本上都与国外成熟企业有差距，还有很大的进步空间，需要继续努力。下边我们简单介绍一下碳纤维性能优势的小秘密。
唐代诗人白居易曾有“伐薪烧炭南山中”这样的诗句，可见把有机物碳化是人类千年前就已经掌握的技能，并不是什么新技术。为啥一个碳纤维生产工艺却成为发达国家对外封锁的关键技术呢？甚至连高档的碳纤维产品都不允许销售给中国，就怕中国应用到军事用途。这里面到底有什么秘密呢？
没错，碳化技术并不是什么神奇的技术，碳化纤维也不是什么神秘的物质，早在爱迪生那个年代，就已经把棉线制作成碳纤维来制作白炽灯灯丝了。但是，碳化的棉线跟现在的碳纤维比起来简直就弱爆了，你可以自己在家做一条碳化的棉线试试，稍微一试你就知道，这样的碳纤维别说替代钢筋，就算替代原来的棉线也做不到，轻轻一扯就会断掉。就像我们用木头烧出来的木炭一样，并不是很坚硬，反而非常脆，一点也不结实。
现在的碳纤维生产技术，里面蕴藏着非常复杂的化学反应原理，需要非常科学而严谨的生产工艺，不是随便找过来一条丝线碳化一下就可以叫做碳纤维了，今天的碳纤维对材料的性能有严格的标准，达不到标准的只能算废品或者残次品。能用来制作碳纤维的原材料目前来说主要有三种，分别是聚丙烯氰、沥青和黏胶。其中目前使用最多的是聚丙烯氰，90%以上的碳纤维都是用这种材料来制造的。
为啥不能用棉线来碳化，也不能用传统塑料丝线碳化，而要特别选择聚丙烯氰呢？简单来说就是用聚丙烯氰制造出来的碳纤维材料更结实。
聚丙烯氰，结构非常特殊，每个单体除去氢原子以外的骨架有五个原子，四个碳原子，一个氮原子，发生聚合后，有两个碳原子跟其它单体首尾相接形成一条链，还剩下两个碳原子一个氮原子在外面形成分叉，一个聚丙烯氰分子就像一条拉链的一半一样，向外伸展这枝杈。然后再把这样的分子进行轻度氧化，控制好条件，就可以把外面的这些分叉连接起来，形成类似于梯子的结构，只不过这个梯子的每个格子不是方形的而是六边形的。一旦形成梯子，也就是化学上说的环化以后，本来由一条线连接的绳子就变成了由两条线连接的绳子，明显就比原先结实多了。
这还不算完，后面还有碳化的过程。碳化的过程中，这些环状的梯子会丢掉一些枝枝杈杈，梯子和梯子之间还会结合成网络结构，最终形成石墨烯的分子，大家都知道石墨烯是非常结实的一种物质，甚至可以认为比金刚石还要结实。本来的聚丙烯氰纤维只是一条带分叉的线，经过氧化和碳化，就变成了石墨烯网络，强度提升了很多倍。这就是聚丙烯氰制造的碳纤维足够结实的秘诀之所在。其他丝线想变成石墨烯结构要困难得多。
原理都知道了，为啥只有日本和美国才能批量生产最高标准的碳纤维材料呢？关键就是生产工艺并不总是按照大家预想的那样去完成各种反应。毕竟聚丙烯氰分子只是肉眼看不到的小丝线，怎样让它们乖乖地按照人们设想的去排队，按照人们设想的去完成后面的反应，是非常考验技术的，废品率还是很高的。关于生产中的那些难题我们后面再专门介绍。
总的来说，像日本东丽这样的公司，沉浸高端碳纤维研发几十年，从高质量的原丝生产，到高效的氧化碳化，一直到最终的产品，都有自己独到的技术优势，不是别人可以随便模仿的。就连美国的军用飞机都要使用日本公司生产的碳纤维，可见日本公司的技术之强。
再说说小丝束和大丝束的问题。
所谓小丝束和大丝束，指的是碳纤维丝线的粗细。小丝束是细线，大丝束是粗线。如果按前面说的聚丙烯氰原丝来看，就是一堆聚丙烯氰细丝编织在一起形成的。条细丝就是1K，条细丝就是3K，一般来说24K以下的就叫小丝束，25K以上的叫做大丝束，主流的大丝束碳纤维是48K以上的，未来还将有超过K的巨丝束碳纤维。
正常来理解的话，应该是绳子越粗生产起来越困难，价格越高才对，为啥市场上反而小丝束的碳纤维更贵呢？其实丝束只是碳纤维的一个外形指标，关键还需要看性能指标，同时还要看生产成本的问题，更重要的是要看市场需求。
其实我们说小丝束要比大丝束碳纤维贵，主要的原因是小丝束碳纤维的性能要优于大丝束，目前性能最好的大丝束碳纤维，虽然在拉伸模量和比模量等性能指标上，也接近航天用小丝束碳纤维了，但跟最高端的小丝束碳纤维性能还是差不少。就拿拉伸强度来说，对于追求极致的应用来说，小丝束才是最佳选择。就像高端手机芯片能选5nm工艺，就不会选28nm工艺。
之所以小丝束天生就比大丝束昂贵，很重要的一个原因是出身不一样。小丝束碳纤维从一开始就是为航空航天用途研发的，使用专用的聚丙烯氰原丝，原材料成本就很高。这类专用原材料都是专门研发生产，有很高的技术门槛，而且是不对外销售的。而大丝束碳纤维直接选用民用聚丙烯氰原丝，也就是比较普通的腈纶丝，原材料成本就比较低。
另外小丝束碳纤维通过了航空航天用途的严格测试，是航空航天选定的专用产品，而大丝束碳纤维即使标注的性能指标跟小丝束一样，短期内也入不了航空航天的法眼。因为大丝束使用的民用原丝本身就有一定的缺陷，生产出来的碳纤维自然也不能保证性能优异，可靠性会差一些。而且大丝束碳纤维从一开始就是为中低端用途而研发的，比如风电扇叶、汽车领域、甚至建筑行业。
大丝束从生产效率上来说，比小丝束碳纤维更加经济，是碳纤维材料从高大上的航空航天应用到平民应用的必然路线。但是，大丝束碳纤维的生产比小丝束也有天然的劣势。
碳纤维的生产，都是先生产聚丙烯氰原丝，然后再预氧化和碳化。大丝束和小丝束在原丝阶段就已经区分开了，碳纤维工厂直接使用相应丝束的原丝来生产碳纤维。对于生产来说，不管是预氧化还是碳化，大丝束总会比小丝束更难控制性能。就拿预氧化流程来说，碳纤维越粗，氧化起来越困难，越难以实现均匀氧化。而氧化不均匀直接影响产品的性能，也会影响下一步碳化的效果。
相对来说，同样是生产高性能碳纤维，小丝束的产品性能更稳定、质量可靠度更高。大丝束虽然也能达到相应的性能，但是残废品率更高、内部缺陷更多、性能稳定性更差，未来还有很大的提升空间。对于追求极致性能和高可靠性的航空航天行业来说，轻易也不太敢尝试大丝束碳纤维。
随着碳纤维生产成本不断下降，新应用场景不断出现，碳纤维产业必将迎来爆发，中国企业能否抓住机遇抢占市场高地，我们拭目以待。需要提醒一句的是，碳纤维不是钢铁，不是简单提高产能就能占领市场的，需要在性能和成本上下功夫，不断投入研发力量，让自己的产品接受应用行业应用的验证，才能在市场上站稳脚跟。否则，盲目上马的项目，一定会被拍死在沙滩上。