碳纖維是一種碳含量在 95% 以上的增強纖維， 密度小、比重輕、力學性能優(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世紀納米科技的重要部分。
由于碳纖維質(zhì)軟，熱力學和電學性能好，可以作為一種優(yōu)良的吸波材料和增強材料在各個領域廣泛應用。本文綜述了碳纖維在材料領域、藥理和生物醫(yī)學方面的應用。
基于碳纖維的吸波性能和潛在的力學性能，故而研制高性能的碳纖維復合材料和作為增強材料改善相界面結(jié)合能力等方面已然成為當前研究的熱點。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工具，超強的力學性能在軍事方面具有很好的應用前景。
炭/炭復合材料的耐高溫等特性被廣泛應用于航天航空和生物醫(yī)學領域，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，在實際應用中，需要吸波材料不僅具有吸收頻帶寬的特點，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，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能量轉(zhuǎn)化的方式減少電磁波干擾，通過其吸波原理，研制出具有優(yōu)良性能的吸收劑是當前學術研究領域的熱點。孟輝等在碳纖維表面通過化學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。電磁污染也是常見的一種污染方向，且越來越受到關注。
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，并檢測了不同配比下涂層相關電化學參數(shù)和性能。結(jié)果顯示，含量少的碳纖維粉具有相應的介電損耗，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。
最終在檢測涂層的吸波性能時，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規(guī)則取向不飽和聚酯基劍麻/碳纖維增強混雜復合材料的力學性能變化，如拉伸和彎曲性能。他們研究了這些雜化復合材料對各種溶劑，酸和堿的耐化學性測試。還研究了 NaOH 處理劍麻纖維對這些劍麻/碳雜化復合材料的力學性能和耐化學性能的影響。雜化復合材料的拉伸和彎曲性能隨碳纖維負載的增加而強化。
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。通過堿處理后還可以觀察到劍麻/碳雜化復合材料的拉伸性能和彎曲性能。耐化學性測試結(jié)果表明，這些未經(jīng)處理和經(jīng)堿處理的雜化復合材料對除四氯化碳以外的所有化學 品均具有抵抗力。
趙建國等人以碳纖維作為一種增強材料，以中間相瀝青為原料，采用 CVD 流程在碳纖維表面生長了碳納米管。生成的碳納米管具有較高的抗彎曲能力和熱擴散性能，同時可以增加碳纖維與原料的粘結(jié)能力，形成了具有更強性能的炭/炭復合材料。
山東大學通過對碳纖維表面生長碳納米管的進一步研究，利用電化學陽極氧化法改進了碳纖維的表面，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，并且通過提高CVD的溫度，可以減少催化劑對碳納米管表面的作用力，同時，也可以通過改變CVD的時間，提高碳納米管的拉伸長度。
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胞接觸，增強了對腫瘤細胞的殺噬力，同時也增加了藥物的更好吸收，延長了其半衰期。碳納米管也可以作為一種傳感器提高檢測的靈敏度，還可以作為一種藥物載體，起到減少藥物對身體的毒害作用。
碳纖維在醫(yī)學領域可以用于儲存藥品，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韌，而活性炭材料可以清除人體血液中的病菌等無用部分，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、細菌等的侵入。碳纖維網(wǎng)還可以用來修補身體某些部位的損壞和創(chuàng)傷 。
梅漢堯等人通過對 25 例肩關節(jié)脫位患者治愈過程追蹤發(fā)現(xiàn)人工碳纖維治療手術是一種優(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。
周重新將碳纖維應用到中耳手術的聽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力的作用。
中國人民解放軍第 105 醫(yī)院采用短碳纖維材料用于腦組織修補，在手術后的護理過程中也并未發(fā)現(xiàn)嚴重不良現(xiàn)象和并發(fā)癥狀。
姜開宇等人在 RPM-CVI復合成型方法的基礎上，繼續(xù)采用RPM技術與快速模具相互結(jié)合，制成了炭/炭復合材料人工骨預制體。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算機輔助設計（CAD）建模曲面重構(gòu)，直到計算機輸出修復骨的 STL 格式的文件這樣的人工骨設計過程。隨后，將計算機合成的 STL文件輸入進快速成型機中便可得到人工骨的快速原型。相對而言，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特的優(yōu)缺點，像生坯、鑄造用模等直接快速模具的制造過程簡單，與計算機成型技術關聯(lián)緊密，但是模具的性能大小等都無法控制合理。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。
薛淑霞等通過分層實體制造（LOM）技術，既可以縮短制造時間，又可以降低制作成本，還可以提高模具使用效率。山東濟南某公司研發(fā)了新型低熔點合金、鋅合金的快速模具，改變了傳統(tǒng)的制造方法，用三維 CAD 技術完成對不同三維模具實體的制作，更大的滿足了對于不同客戶的需求。
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、肌肉細胞生長等方面取得了很多新突破，湯井灃等人對石墨烯在軟骨修復方面的研究做了總結(jié)，并就石墨烯的一些性質(zhì)及在軟骨修復上的作用機理做了相關討論。
目前，許多對于炭/炭復合材料的研究進展已經(jīng)達到火熱狀態(tài)，在人工骨材料應用上承載了許多優(yōu)異性質(zhì)，并逐漸嘗試將炭/炭復合材料加入到涂層中，運用于生物臨床醫(yī)學。但基礎的理論與實際應用又存在著較大差距，問題依然很棘手，需要在未來不斷將理論與實際緊密結(jié)合，才能快速在臨床研究上得到普及。
(?碳/碳(C/C)復合材料是碳纖維增強碳基體的復合材料, 具有高強高模、比重輕、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕、抗熱沖擊、耐摩擦性能好、化學穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能, 是一種新型的超高溫復合材料。)
活性碳纖維比一般吸附劑具有更強的吸附性能。南京理工大學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—石膏混合成的復合材料彎曲度、強度和抗剝蝕度都顯著提高，采用陽極氧化法改變其親水能力，并探究了影響碳纖維石膏復合材料的影響因素。
由于復合材料具有特殊的振動阻尼特性，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、傳動軸、發(fā)動機架及其內(nèi)部構(gòu)件。
此外，復合材料還用于制造體育運動器件和用作建筑材料等。
現(xiàn)如今在飛機、無人機、戰(zhàn)斗機等航天領域碳纖維增強復合材料已經(jīng)普及，目的是為了增加設備性能。在很多交通工具的制作上，為了增大其堅韌性及抗腐 蝕性能，在原料中也摻雜了碳纖維作為增強材料。
碳纖維憑借其良好的力學性能能夠作為一種增強材料運用在各種材料中。例如炭/炭復合材料的 CVD工藝，炭/炭復合材料對于人工骨合成的機理。未來，碳纖維會在更多領域發(fā)揮巨大的作用。
參考資料：《碳纖維的應用研究進展》李彩琴，劉荔貞，趙建國，山西大同大學學報2023年2月第39卷1期、網(wǎng)絡及各官網(wǎng)資料
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦復合材料網(wǎng)）：碳纖維在材料、醫(yī)學、化工等行業(yè)的應用研究進展
