粗细不及头发十分之一，但它们的缺陷科学家“一照便知”

出品：科普中国

作者：张昊（中国科学院上海高等研究院助理研究员）

监制：中国科普博览

在爱迪生的故事中，我们熟知他通过千百次的实验，终于发现了耐用的灯丝，为近代工业文明带来了第一束“光”。然而，鲜为人知的是，他的实验中使用绵竹纤维烧成的碳丝，在无意中揭开了近代新材料——碳纤维的篇章。

爱迪生与灯泡

（图片来源：veer图库）

碳纤维是什么？

碳纤维是由有机纤维经过高温转化得到的含碳量在90%以上的一种无机纤维。早在1879年，爱迪生通过将植物纤维在高温的环境下碳化得到了一种导电性好能满足灯泡需求的纤维。但因其寿命较短，强度有限，而后被金属灯丝取代。

1959年日本和美国科学家分别发展了碳纤维生产技术，使其性能大幅度提高。1982年碳纤维首次被波音及空客等公司应用于航空领域。

直到在一百多年后的今天，随着碳纤维纺丝工艺的进步，已经制备出细如发丝（5~10微米）、轻如鸿毛（密度约为钢的五分之一）、强如钢铁（断裂强度是钢的四倍左右）的高强度碳纤维。。

碳纤维

（图片来源：中国科学报）

碳纤维在各领域应用广泛

如今，碳纤维已成为现代工业体系中不可或缺的底层材料。从钓鱼竿这类轻巧的运动器材，到风力发电机叶片；从赛道驰骋的F1赛车，到波音787这样的航空巨擘，碳纤维都以其轻质高强的性能发挥着重要的作用。

以波音787为例，其机体材料中有高达50%的部分使用了碳纤维复合材料。这种材料之所以如此重要，得益于碳纤维的诸多优异性能。

首先，它的密度低，大幅减轻了飞机自重，从而提升了载客量和运输能力。其次，碳纤维能显著降低燃油消耗，使航程更远、效率更高。此外，碳纤维极高的强度和良好的力学性能，也为飞机机身的安全性和耐用性提供了强有力的保障。这些特性使碳纤维成为推动航空工业进步的核心技术之一。

波音787

（图片来源：澎湃新闻）

高性能碳纤维的制造却面临难题

尽管我国已成为碳纤维生产大国，但在高端碳纤维领域仍处于追赶阶段。以T1000级以上的碳纤维产品为代表的顶级碳纤维目前尚未实现国产替代，而日本东丽公司等西方国际领先企业在高端碳纤维的生产上占据主导地位，并且对我国实施了禁运措施。由于这一原因，我国仍面临高端碳纤维产品的供应瓶颈。因此，加快自主研发、突破碳纤维技术瓶颈、实现技术的国产化显得尤为迫切。

然而，制造高性能碳纤维并非易事。其中一个核心问题，就是如何表征与控制碳纤维中的缺陷。

碳纤维生产过程中的缺陷结构演变

（图片来源：深圳大学徐坚朱才镇课题组）

这些缺陷如同隐藏在阴影中的幽灵，直接关系到碳纤维的最终性能。

首先，其缺陷大部分包含于纤维内部，无法通过填充的方式探测（如汞压法、氮吸附等），另一方面它们的三维结构、长宽及在内部的偏转角度，都会对材料的性能产生重要影响，而传统的电镜观察切片的方法观测的实际上其三维结构的投影，如我们画画时的三视图一样，不同的三维结构的投影图形可能是一样的。

画画时的三视图

（图片来源：作者供图）

例如，对于椭球状的缺陷结构，其截面观测为圆形，如果以圆形的相关参数来衡量真实的缺陷结构，必然带来极大的误差。因此，我们需要有一种直接观测缺陷三维结构的方法进行观测。

椭球状缺陷结构的截面

（图片来源：作者供图）

如果不能及时发现和控制这些缺陷，就可能导致设备或器件的安全性能下降，甚至引发事故。

例如，最近国外发生的泰坦号潜水艇事故，其中一个原因就是未能及时发现潜水艇外壳中的缺陷。这些缺陷在常规检测手段下难以察觉，如同躲藏在阴影中的敌人。

那么，这个问题该如何解决呢？

一个巧妙的办法：用光来“照亮”阴影！

科学家们想到了一个巧妙的方法：利用同步辐射X射线作为光源，照亮碳纤维中的阴影。

通过散射的方法，记录和表征缺陷的三维信息。这种方法不同于传统的摄影技术，它利用的是光的粒子效应。

当一束X射线照射到样品上时，光子与碳纤维的电子发生相互作用，就像两个小球相撞一样，碰撞后发生了角度等参数的改变，被探测器捕获，形成一定的散射图案。由于缺陷部分和规整部分的电子密度存在差异，因此缺陷结构的三维信息会反应在探测器捕获的散射图案中。

通过分析这些散射数据，科学家能够获得关于样品内部结构的详细信息如碳纤维的缺陷尺寸、形状和分布等。由于同步辐射具有高亮度（通量是太阳的1010倍）高准直等特点，及X射线的穿透特性，因此可以在不破坏样品的情况下快速地进行表征，单张谱图可在一秒以内，因此可以在线的研究碳纤维缺陷结构的演变过程。因此，也被广泛应用于研究软物质、聚合物、纳米材料和生物大分子等领域，是探索物质微观世界的重要工具。

正是借助这种方法，助力我国科学家攻克了千吨级T1000碳纤维的生产工艺，并顺利通过了科技成果鉴定。这标志着我国国产碳纤维已经达到了世界先进水平。这一成就不仅打破了国外的技术封锁，也为我国工业的发展注入了新的活力。

深圳晚报报道

（图片来源：深圳晚报）

结语

在未来的日子里，我们可以期待碳纤维在更多领域发挥重要作用。而利用同步辐射等先进技术手段，照亮碳纤维中的阴影、发现其中的缺陷，将成为推动碳纤维技术不断向前发展的关键所在。

正如苏轼所言：“横看成岭侧成峰”，只要我们善于从不同角度观察和思考，就一定能够发现隐藏在阴影中的真相，让碳纤维这种神奇的材料更好地服务于人类社会。

参考文献：

[1]Zhu C, Liu X, Yu X, et al. A small-angle X-ray scattering study and molecular dynamics simulation of microvoid evolution during the tensile deformation of carbon fibers[J]. Carbon, Elsevier Ltd, 2012, 50(1): 235–243.

[2]Lu J, Li W, Kang H, et al. Microstructure and properties of polyacrylonitrile based carbon fibers[J]. Polymer Testing, Elsevier Ltd, 2020, 81(10): 106267.

[3]Thünemann A F, Ruland W. Microvoids in polyacrylonitrile fibers: a small-angle X-ray scattering study[J]. Macromolecules, 2000, 33(5): 1848–1852.