碳纖維是一種碳含量在 95% 以上的增強(qiáng)纖維， 密度小、比重輕、力學(xué)性能優(yōu)異、耐高溫、抗輻射等都是它特有的優(yōu)異性能。由納米碳管、納米碳纖維和類金剛石組成的納米碳材料已經(jīng)成為21世紀(jì)納米科技的重要部分。
由于碳纖維質(zhì)軟，熱力學(xué)和電學(xué)性能好，可以作為一種優(yōu)良的吸波材料和增強(qiáng)材料在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文綜述了碳纖維在材料領(lǐng)域、藥理和生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。
基于碳纖維的吸波性能和潛在的力學(xué)性能，故而研制高性能的碳纖維復(fù)合材料和作為增強(qiáng)材料改善相界面結(jié)合能力等方面已然成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。將特定序列的 RNA 修飾到碳納米管表面，由碳納米管制成的微型納米鉗等手術(shù)工具，超強(qiáng)的力學(xué)性能在軍事方面具有很好的應(yīng)用前景。
炭/炭復(fù)合材料的耐高溫等特性被廣泛應(yīng)用于航天航空和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在高溫涂層和骨骼替代方面也取得了很高的成就。
1 . 碳纖維在材料中的作用
吸波材料是一類降低電磁波干擾的材料，在實(shí)際應(yīng)用中，需要吸波材料不僅具有吸收頻帶寬的特點(diǎn)，還要具備材料質(zhì)柔軟，耐高溫，耐腐蝕，抗氧化等優(yōu)異特點(diǎn)，而碳纖維恰好具備吸波材料的這些優(yōu)良性能。
圖源：雷茲盾
電磁波吸收材料通過(guò)能量轉(zhuǎn)化的方式減少電磁波干擾，通過(guò)其吸波原理，研制出具有優(yōu)良性能的吸收劑是當(dāng)前學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。孟輝等在碳纖維表面通過(guò)化學(xué)鍍鎳的工藝與羰基鐵粉共同組成的涂層材料具有更高的吸波性能。電磁污染也是常見(jiàn)的一種污染方向，且越來(lái)越受到關(guān)注。
陶睿等人采用絲狀的碳纖維和球形顆粒狀的羰基鐵粉混合制備吸波涂層，并檢測(cè)了不同配比下涂層相關(guān)電化學(xué)參數(shù)和性能。結(jié)果顯示，含量少的碳纖維粉具有相應(yīng)的介電損耗，在20%的碳纖維粉中尤為明顯，而羰基鐵粉是兼具磁損耗和介電損耗兩種性能的。
最終在檢測(cè)涂層的吸波性能時(shí)，得出：在碳纖維粉含量為 25%，羰基鐵粉含量在60%，涂層為2 mm厚度環(huán)境下制得的涂層吸波性能最好。
Noorunnisa Khanam等人研究了不同纖維重量比的無(wú)規(guī)則取向不飽和聚酯基劍麻/碳纖維增強(qiáng)混雜復(fù)合材料的力學(xué)性能變化，如拉伸和彎曲性能。他們研究了這些雜化復(fù)合材料對(duì)各種溶劑，酸和堿的耐化學(xué)性測(cè)試。還研究了 NaOH 處理劍麻纖維對(duì)這些劍麻/碳雜化復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐化學(xué)性能的影響。雜化復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能隨碳纖維負(fù)載的增加而強(qiáng)化。
并且發(fā)現(xiàn)這些雜化材料的拉伸性能和彎曲性能均高于基體。通過(guò)堿處理后還可以觀察到劍麻/碳雜化復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能。耐化學(xué)性測(cè)試結(jié)果表明，這些未經(jīng)處理和經(jīng)堿處理的雜化復(fù)合材料對(duì)除四氯化碳以外的所有化學(xué) 品均具有抵抗力。
趙建國(guó)等人以碳纖維作為一種增強(qiáng)材料，以中間相瀝青為原料，采用 CVD 流程在碳纖維表面生長(zhǎng)了碳納米管。生成的碳納米管具有較高的抗彎曲能力和熱擴(kuò)散性能，同時(shí)可以增加碳纖維與原料的粘結(jié)能力，形成了具有更強(qiáng)性能的炭/炭復(fù)合材料。
山東大學(xué)通過(guò)對(duì)碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管的進(jìn)一步研究，利用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法改進(jìn)了碳纖維的表面，從而發(fā)現(xiàn)了催化劑顆粒的存在可以影響碳納米管的外觀，并且通過(guò)提高CVD的溫度，可以減少催化劑對(duì)碳納米管表面的作用力，同時(shí)，也可以通過(guò)改變CVD的時(shí)間，提高碳納米管的拉伸長(zhǎng)度。
史占萍等人利用碳納米管的生物相容性成功的作為一種載體與細(xì)胞接觸，增強(qiáng)了對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺噬力，同時(shí)也增加了藥物的更好吸收，延長(zhǎng)了其半衰期。碳納米管也可以作為一種傳感器提高檢測(cè)的靈敏度，還可以作為一種藥物載體，起到減少藥物對(duì)身體的毒害作用。
2 . 碳纖維在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的影響
碳纖維在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以用于儲(chǔ)存藥品，制成人體肌肉組織支架，納米管探針等分子層面的醫(yī)藥品。此外，加入碳纖維能夠使人工骨，人工器官材料更加堅(jiān)韌，而活性炭材料可以清除人體血液中的病菌等無(wú)用部分，且碳纖維布自身的生物相容性好，不易發(fā)生粘接或產(chǎn)生有毒色素，能有效防范病毒、細(xì)菌等的侵入。碳纖維網(wǎng)還可以用來(lái)修補(bǔ)身體某些部位的損壞和創(chuàng)傷 。
梅漢堯等人通過(guò)對(duì) 25 例肩關(guān)節(jié)脫位患者治愈過(guò)程追蹤發(fā)現(xiàn)人工碳纖維治療手術(shù)是一種優(yōu)良的臨床手段，碳纖維使得新組織具有更好的韌性和拉伸感。
周重新將碳纖維應(yīng)用到中耳手術(shù)的聽(tīng)小骨移植或鼓外膜中，可以為耳骨支撐起永久性骨架，且碳纖維一直未被吸收，也并未發(fā)生任何炎癥，最終能夠起到改善人體聽(tīng)力的作用。
中國(guó)人民解放軍第 105 醫(yī)院采用短碳纖維材料用于腦組織修補(bǔ)，在手術(shù)后的護(hù)理過(guò)程中也并未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重不良現(xiàn)象和并發(fā)癥狀。
姜開宇等人在 RPM-CVI復(fù)合成型方法的基礎(chǔ)上，繼續(xù)采用RPM技術(shù)與快速模具相互結(jié)合，制成了炭/炭復(fù)合材料人工骨預(yù)制體。研究出了由 CT 掃描到提取輪廓到形成矢量化圖形再到將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）建模曲面重構(gòu)，直到計(jì)算機(jī)輸出修復(fù)骨的 STL 格式的文件這樣的人工骨設(shè)計(jì)過(guò)程。隨后，將計(jì)算機(jī)合成的 STL文件輸入進(jìn)快速成型機(jī)中便可得到人工骨的快速原型。相對(duì)而言，快速模具就有多種不同的制作方法了。
顏永年等人比較了直接快速模具和間接快速模具各自獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，像生坯、鑄造用模等直接快速模具的制造過(guò)程簡(jiǎn)單，與計(jì)算機(jī)成型技術(shù)關(guān)聯(lián)緊密，但是模具的性能大小等都無(wú)法控制合理。像硅膠模、金屬冷噴模等間接快速模具可以根據(jù)不同的模具需求，進(jìn)而采用不同的制造工藝。所以目前采用更多的是間接快速模具制造工藝。
薛淑霞等通過(guò)分層實(shí)體制造（LOM）技術(shù)，既可以縮短制造時(shí)間，又可以降低制作成本，還可以提高模具使用效率。山東濟(jì)南某公司研發(fā)了新型低熔點(diǎn)合金、鋅合金的快速模具，改變了傳統(tǒng)的制造方法，用三維 CAD 技術(shù)完成對(duì)不同三維模具實(shí)體的制作，更大的滿足了對(duì)于不同客戶的需求。
由于石墨烯的生物相容性，使得其作為一種生物骨架在骨修復(fù)、肌肉細(xì)胞生長(zhǎng)等方面取得了很多新突破，湯井灃等人對(duì)石墨烯在軟骨修復(fù)方面的研究做了總結(jié)，并就石墨烯的一些性質(zhì)及在軟骨修復(fù)上的作用機(jī)理做了相關(guān)討論。
目前，許多對(duì)于炭/炭復(fù)合材料的研究進(jìn)展已經(jīng)達(dá)到火熱狀態(tài)，在人工骨材料應(yīng)用上承載了許多優(yōu)異性質(zhì)，并逐漸嘗試將炭/炭復(fù)合材料加入到涂層中，運(yùn)用于生物臨床醫(yī)學(xué)。但基礎(chǔ)的理論與實(shí)際應(yīng)用又存在著較大差距，問(wèn)題依然很棘手，需要在未來(lái)不斷將理論與實(shí)際緊密結(jié)合，才能快速在臨床研究上得到普及。
(?碳/碳(C/C)復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳基體的復(fù)合材料, 具有高強(qiáng)高模、比重輕、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕、抗熱沖擊、耐摩擦性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能, 是一種新型的超高溫復(fù)合材料。)
活性碳纖維比一般吸附劑具有更強(qiáng)的吸附性能。南京理工大學(xué)制備了粘膠基活性碳纖維，并探究了影響炭化收率的因素，其中，活化劑的濃度，種類，活化時(shí)間和活化溫度是影響物理活化的主要原因。
塑造形狀及其原料用量是影響化學(xué)活化的因素。最后，用制備的活性碳纖維處理生活廢氣、廢水，具有更優(yōu)異的凈化能力。
黃韡將碳纖維與凝膠材料—石膏混合成的復(fù)合材料彎曲度、強(qiáng)度和抗剝蝕度都顯著提高，采用陽(yáng)極氧化法改變其親水能力，并探究了影響碳纖維石膏復(fù)合材料的影響因素。
由于復(fù)合材料具有特殊的振動(dòng)阻尼特性，可減振和降低噪聲、抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，故可用于制造汽車車身、受力構(gòu)件、傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)架及其內(nèi)部構(gòu)件。
此外，復(fù)合材料還用于制造體育運(yùn)動(dòng)器件和用作建筑材料等。
現(xiàn)如今在飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)等航天領(lǐng)域碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)普及，目的是為了增加設(shè)備性能。在很多交通工具的制作上，為了增大其堅(jiān)韌性及抗腐 蝕性能，在原料中也摻雜了碳纖維作為增強(qiáng)材料。
碳纖維憑借其良好的力學(xué)性能能夠作為一種增強(qiáng)材料運(yùn)用在各種材料中。例如炭/炭復(fù)合材料的 CVD工藝，炭/炭復(fù)合材料對(duì)于人工骨合成的機(jī)理。未來(lái)，碳纖維會(huì)在更多領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。
參考資料：《碳纖維的應(yīng)用研究進(jìn)展》李彩琴，劉荔貞，趙建國(guó)，山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)2023年2月第39卷1期、網(wǎng)絡(luò)及各官網(wǎng)資料
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：碳纖維在材料、醫(yī)學(xué)、化工等行業(yè)的應(yīng)用研究進(jìn)展
