碳以多種形式廣泛存在于大氣、地殼和生物體之中，絕大多數(shù)的生物體分子中都含有碳元素，它是最常見的元素之一。人類很早就發(fā)現(xiàn)并開始利用碳單質(zhì)，碳的化合物——有機(jī)物更是生命產(chǎn)生的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

碳纖維（簡稱CF），是一種含碳量很高的無機(jī)高分子纖維材料。片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌，然后經(jīng)過碳化及石墨化處理便得到了碳纖維。它“外柔內(nèi)剛”，耐腐蝕，質(zhì)量很輕、強(qiáng)度卻比鋼鐵還高，兼?zhèn)涮疾牧蠌?qiáng)抗拉力和紡織纖維柔軟可加工的特性，是重要的國防軍工和民用材料。

碳纖維物理和化學(xué)性能出類拔萃

碳纖維具有許多優(yōu)良的物理、化學(xué)性能。同鋼、鋁、鈦等其他金屬材料相比，具有強(qiáng)度大、模量高、密度小、線膨脹系數(shù)小等諸多特點，是當(dāng)之無愧的“新材料之王”，屬于技術(shù)密集型的新型材料。碳纖維可加工成各種織物，沿纖維軸線方向強(qiáng)度很高。碳纖維耐高溫、也耐低溫，在不接觸空氣和氧化劑的情況下能夠承受幾千度以上的高溫，在液氮溫度下也不發(fā)生脆化。

在化學(xué)性質(zhì)方面，碳纖維的耐蝕性出類拔萃，在一般的有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，完全沒有生銹的問題，還具有耐油、抗輻射和放射、能夠吸收有毒氣體等特性。可以說，幾乎沒有其他材料像碳纖維一樣具備如此多的優(yōu)異性能。

碳纖維可應(yīng)用于水質(zhì)凈化

在世界發(fā)展高速現(xiàn)代化和科技化的大環(huán)境下，碳纖維作為一種新興優(yōu)質(zhì)材料，其用途不斷趨向多樣化，可廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星、汽車、紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機(jī)電、土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等方面，而且還是發(fā)展國防軍工與國民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資。

目前，隨著生活水平的不斷提高，人們更加注重水環(huán)境質(zhì)量的改善和環(huán)境風(fēng)險防控，碳纖維以其具有超大的比表面積和吸附容量，在水質(zhì)凈化方面將發(fā)揮重要作用。其原因在于，CF吸附和解吸速率快，機(jī)械強(qiáng)度高，再生條件溫和，經(jīng)適當(dāng)活化和表面改性后，能進(jìn)一步增大比表面積、提高生物親和性，可做為微生物的載體用于水質(zhì)凈化。

其凈化水質(zhì)機(jī)理為：碳纖維中的碳原子，吸收外部紅外或者微波能量后被激活，或者在聲波影響下激活好碳素菌與其他微生物，周圍的多種微生物也會受其影響，快速吸附到碳纖維上，并且迅速大量繁殖，這樣就形成了有粘著性的生物膜，繼而成為穩(wěn)定的碳纖維生態(tài)基。微生物膜固著于碳纖維表面，上面的微生物便能夠有效降解污染水體中的有機(jī)物，以達(dá)到水質(zhì)凈化的目的。

碳纖維生態(tài)基是利用碳纖維特殊性能制成的水質(zhì)凈化產(chǎn)品，也是一種以碳纖維為核心載體的生態(tài)基技術(shù)。通過對碳纖維材料進(jìn)行活化、表面改性及水溶膠特殊處理，其成為利于水體微生物生長的人工生態(tài)水草，對水中微量、痕量污染物都具有不錯的去除效果，可以結(jié)合浮島技術(shù)、污水處理系統(tǒng)等應(yīng)用于水質(zhì)恢復(fù)和水生態(tài)環(huán)境治理。一般的活性碳纖維生態(tài)基使用壽命可達(dá)到數(shù)十年，不用更換和維護(hù)。

碳纖維市場廣闊，中國有望走上自主產(chǎn)業(yè)化之路

據(jù)《經(jīng)濟(jì)日報》報道，預(yù)計到2020年，全球碳纖維需求可達(dá)到13萬噸/年。

長期以來，世界碳纖維的核心技術(shù)主要掌握在日、美等發(fā)達(dá)國家手中，并且在國外有大規(guī)模生產(chǎn)，如東麗、東邦、三菱、SGL等公司。國外對碳纖維行業(yè)實施的嚴(yán)格技術(shù)封鎖及國外碳纖維行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)進(jìn)入中國，都給中國本土碳纖維企業(yè)的發(fā)展造成了壓力，限制了國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。不過，隨著近年來國內(nèi)對碳纖維的需求量日益增長，中國正加大對碳纖維行業(yè)的引導(dǎo)和扶持力度。

隨著應(yīng)用市場的不斷開發(fā)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)的日趨成熟，碳纖維材料的發(fā)展將進(jìn)入全新的時代。近年來，中國突破日本管制封鎖，研制出高性能碳纖維，打破了依賴進(jìn)口的局面。目前，作為國內(nèi)碳纖維領(lǐng)軍企業(yè)之一的恒神公司，年產(chǎn)碳纖維高達(dá)5000多噸，創(chuàng)造了多項國內(nèi)第一。中國碳纖維行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，也將走上自主開發(fā)和引進(jìn)相結(jié)合的道路。

作者：白露，中國科協(xié)科學(xué)技術(shù)傳播中心高級工程師

審稿專家：張遠(yuǎn)，中國環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境專家，水環(huán)境研究所副所長，2014年獲科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，2016年獲中組部第二批萬人計劃領(lǐng)軍人才。

碳纖維成水質(zhì)凈化小能手 有望走上自主產(chǎn)業(yè)化之路

圖文簡介