碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量新型纤维材料。碳纤维具有许多优良性能，包括轴向强度和模量高，密度低、比性能高，耐疲劳性和电磁屏蔽性好等。按原料路线的不同，可将碳纤维分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。PAN基碳纤维具有高强度、高模量和低密度的特点，它耐高温、耐腐蚀，具有很好的导电和导热性能，这些优异的性能使碳纤维的应用领域非常广泛。

碳纤维的应用
    
　　  碳纤维具有优异的物理化学性能，且成型工艺日趋成熟，在军事、民用航空、风电、轨道交通、体育休闲和汽车轻量化等诸多领域具有广泛应用。
    1.军事领域
   （1）单兵防护装备　　碳纤维复合材料的质量轻、强度高、导热和散热性能好，可以用来制造士兵的防弹盔甲。它可以将子弹的冲击能量快速、有效地分散到整个面积上，造成的凹陷小、穿透层数少，从而实现对身体的有效防护。通过对弹道实测发现，凹陷度约为9.5mm，达到GA141-2001安全标准。英国剑桥大学的研究人员开发了一种由碳纳米管组成的新型碳纤维，此种碳纤维不仅拥有传统碳纤维的优异性能，而且克服了传统碳纤维的缺点。这种新型碳纤维可以用来制被超强防弹衣，其抗冲击性能、抗磨擦性能比传统防弹衣大大增强。
   （2）军用飞机　　碳纤维因其“质轻高强”的特性，被广泛应用于军用战斗机和直升机的主次承力结构部件，起到了明显的减重续航作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀性能。碳纤维复合材料在军用飞机制造业中具有举足轻重的地位，据统计，目前碳纤维增强复合材料（CFRP）在军用飞机上的使用量为30%~40%，可大幅减重20~30%。美国F18战机和F22战斗机的CFRP使用量分别为10%和25%，军用飞机AV-8B全机CFRP用量达到26%左右，使整机重量减轻9%。美国新一代战机F35的CFRP使用量为36%，而且F35目前进入加速生产期，年产量超过百架，累计交付300架左右。我国军机的碳纤维复合材料用量快速提升。但与美国相比，我国军机的CFRP用量较低。歼-8Ⅱ是我国首次使用碳纤维复合材料的战斗机，目前歼-10A上CFRP的用量为6%。
   （3）军用火箭、导弹  由碳纤维织物碳化成的复合材料具有导热性好、比热容大和耐烧蚀等特性，可经受2000~3000℃高温粒子的冲刷，被广泛应用于火箭发动机壳体、发动机喉衬、发射助推器、发射筒和导弹弹头等部位。利用碳纤维复合材料质量轻的特点，使火箭或者导弹发射的重量减小，大大增加了其射程和精确度。对于导弹的制造材料，碳纤维复合材料必不可少，美国、俄罗斯和法国等军事强国在导弹上的发动机壳体都采用了碳纤维复合材料。例如美国的近距离超音速红外制导空多空导弹AIM-9，又名响尾蛇导弹，是全世界第一种有实战记录且成功击落目标的空对空导弹。我国在研发导弹时也运用了碳纤维复合材料，例如新一代洲际弹道导弹东风-41和巨浪-2都采用了国产碳纤维生产的CFRP作为导弹壳体材料。
    2.民用飞机领域
  　　传统飞机的零部件以金属材料为主，碳纤维复合材料因其轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳等性能，已被应用于民用航空领域，主要用作飞机的主承力、次承力和非承力结构件。世界民用飞机两大巨头波音和空客已将碳纤维复合材料大范围的应用到客机上，其中波音787的CFRP用量比高达到50%，空客A-350的CFRP结构件的质量超过了53%。
  　　我国航空运输市场快速增长。到2040年，全球客机数量预计达到47500架，其中中国规模将达到9900架。当前我国民机以进口为主，波音、空客占据了绝大部分市场份额。但随着研发的投入，我国国产民机将逐步成体系，呈现快速发展的态势。目前我国ARJ-21已开始批量生产，C919进入试验试飞阶段，CR929进入设计阶段，三大民机发展节奏呈梯队快速推进。国产民机的发展为碳纤维复合材料带来重大发展机遇。C919、C929等型号重量更大、CFPR占比更多，随着C919在2021年开始交付，碳纤维复合材料的需求将呈倍数增长。
  　　除此之外，碳纤维复合材料在民用无人机领域也有广泛的应用。随着我国民用无人机井喷式的增长，也将进一步拉动碳纤维复合材料的需求。
    3.轨道交通领域
    碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、良好的减震抗冲击性能，以及结构可设计性强等特点，能满足高速列车轻量化的要求，进而被用于列车的承力件和辅助件。法国的TGV高速列车的车体采用碳纤维复合材料夹芯结构，较传统金属材料减重25%左右。虽然我国碳纤维复合材料在轨道交通上研究起步较晚，但发展速度惊人，已取得一些成果。例如中车四方在高速实验列车上采用了CFRP头罩，减重约50%；中车长客研制出的新一代地铁列车和“光谷量子号”有轨电车均采用CFRP车体，实现了列车的轻量化设计。　　
    4.风电领域
  　　碳纤维复合材料具有轻质高强、耐疲劳的特性，可以保证在增加叶片长度的同时降低叶片重量，因此其用于生产风电叶片具有巨大的优势。目前我国相关叶片的复合材料技术还处于研究创新阶段。随着风电成本的不断降低，装机量开始提高。伴随着海上发电带来的叶片大型化和功能化，碳纤维风电叶片的优势越发明显。预计到2020年，风电叶片碳纤维需求量达到2.7万吨，发展空间巨大。
    5.体育休闲领域
    体育休闲用品是碳纤维复合材料应用的一个重要领域。以碳纤维为原料制备的钓鱼竿具有高强轻质、抗疲劳的特性，因而受到广大钓鱼爱好者的欢迎。采用碳纤维复合材料制备的自行车更加轻质、安全和舒适。此外，碳纤维复合材料的可设计性强，可满足多样化的设计要求，可用来制备网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、滑雪装备和赛车等体育用品。预计2020年碳纤维在体育休闲领域的需求量达到16kt。未来，碳纤维在体育休闲领域将扮演重要的角色，其价值也会越来越大。　　
    6.汽车轻量化领域
    汽车轻量化作为有效节能和环保的措施，将成为汽车领域大力发展的方向。要实现汽车轻量化目标，除了优化结构和工艺设计之外，材料的选取也非常关键。碳纤维增强复合材料因为质量轻、强度大等优点成为汽车减重的首选材料。但由于其成本较高，主要应用于一些高档汽车，例如BWM公司研制的新一代7系轿车、M4 跑车，以及i3、i8跑车都大量使用了碳纤维材料。2019年3月20日，中国首辆采用氢能碳纤维车身的乘用车在“中国光谷”研制成功。该车搭载全球领先技术的氢燃料电池，续航里程可达1000km以上，全身采用碳纤维增强复合材料，使车身结构更轻更强韧、汽车更加轻量化。该车预计于2020年在中国一线城市推广。
　　
总结与展望
   
　　  碳纤维复合材料自20世纪60年代兴起以来，经过50多年的进步，在技术、工艺方面取得了长足的发展，应用领域不断拓展。以前主要集中于军事领域，后来逐步拓展到工业领域，近几年来碳纤维复合材料在医疗、建筑、电子和新能源领域得到大力发展。
　  　但与发达国家相比，我国在复合材料的设计、制备和性能分析等方面还存在较大差距。若要扩大碳纤维及其复合材料的应用范围，缩小与国外的差距，首先应该提高思想认识，站在更高的层面，以开放的思想和创新的思维，充分认识发展碳纤维及其复合材料的重要意义和光明的前景。其次，应加强专业人才队伍的建设，尤其是复合材料设计人才，因为我国的设计环节比较薄弱。适应复合材料的应用发展必须加大人才培养力度和培训力度，并采取相应措施，切实践行。最后，开发高性能、低成本碳纤维生产技术，以及成型费用低的复合材料制造新工艺。相信在国家的大力扶持、业界同仁的共同努力下，我国将会迎来碳纤维及其复合材料蓬勃发展的美好明天。