碳纖維是由含碳量在90%以上的石墨組成的纖維材料，由聚丙烯腈纖維、粘膠纖維、瀝青纖維等有機纖維原絲經預氧化、碳化和石墨化、施膠、熱處理等反應工藝制得。 在碳化過程中，碳纖維沿軸向預拉伸，因此石墨微晶具有優先取向，賦予碳纖維高強度和高模量的特點。 此外，碳纖維還具有低密度、耐超高溫、耐腐蝕、耐原子輻射、導熱、導電等優良特性，使碳纖維成為複合材料中重要的增強纖維。 碳纖維複合材料是以樹脂、金屬或陶瓷為基體，以碳纖維為增強體結合而成，通過對基體型別、碳纖維含量和分布的優化設計，製備出綜合性能優良的部件，用於飛機、火箭、衛星等太空飛行器。
隨著碳纖維及其複合材料在航空航天、汽車、民用建築、運動器材等領域的廣泛應用，其需求也在穩步增長。 我國從20世紀70年代中期開始研究開發碳纖維國產化技術，經過近50年的發展，我國碳纖維工程技術和產業化建設取得了決定性的突破，國產碳纖維及其複合材料已廣泛應用於我國建築業、體育用品、造船業、航空航天工業等先進領域。
碳纖維和複合材料的標準化：建築材料領域的乙個例子
碳纖維和基體的基本理化效能是碳纖維複合材料研發、產品製備和應用的基礎，在碳纖維、基體和複合材料的製備過程中會使用多種新增劑，以獲得特定的優異效能。 碳纖維複合材料的組成、結構和效能是複合材料研發過程中結構-效能關係的決定性因素。 因此，碳纖維複合材料的成分分析、結構表徵和效能分析是產品製備過程中不可或缺的關鍵環節，碳纖維複合材料製品的質量控制和健康可持續發展有賴於產品應用領域的相關標準。
碳纖維標準化現狀
在我國現行標準中，針對碳纖維的分析和結構表徵，已經建立了碳纖維碳含量、密度、金屬元素含量、直徑、根數、截面等標準測試方法的標準測試方法。 根據碳纖維的效能分析，建立了熱穩定性、體積電阻率、復絲拉伸效能和結節拉伸強度的測定方法。 對於聚丙烯腈碳纖維，已經制定了前驅體結構和形貌測定的相關標準。 上述標準一般涵蓋了碳纖維成分的分析以及一些熱、電和機械效能。
然而，影響碳纖維效能的微觀結構，如石墨化程度、內部缺陷、聚集體結構等，以及碳纖維的導熱係數和熱膨脹係數等效能測試標準方法尚未建立。
建築材料用碳纖維複合材料標準化現狀
碳纖維增強混凝土。
目前，碳纖維增強混凝土的相關國際標準包括美國材料與試驗協會發布的《ASTM C1116纖維增強混凝土標準規範》和《ASTM C1609纖維增強混凝土抗彎效能標準試驗方法》，以及國內現有的《GB T 16309-1996纖維增強水泥及其製品術語》， 以及行業標準《CJJ T 280-2018 纖維增強復合鋼筋混凝土橋梁技術標準》和《JG T 348—2011 纖維增強混凝土裝飾牆板》。 碳纖維增強混凝土複合材料的碳纖維含量、力學效能、滲透性和導電性是影響其作為功能材料效能的關鍵因素，目前尚無相關標準和試驗方法。
碳纖維增強樹脂。
碳纖維增強塑料的樹脂含量、均勻性、揮發分含量和力學效能是影響複合材料效能的關鍵指標。 對於碳纖維增強塑料的成分分析，國內已經建立了樹脂含量、孔隙含量和纖維體積含量的標準測試方法。
碳纖維預浸料作為複合材料的中間材料，是將碳纖維浸漬在樹脂基體中製成的預浸片材產品，使用的基體主要有聚酯樹脂、環氧樹脂、熱塑性樹脂等。 針對以碳纖維為增強材料、以熱固性樹脂為基體的預浸料樹脂，建立了效能測定的標準試驗方法，包括樹脂含量、凝膠時間、樹脂流動性、揮發分含量、拉伸強度、單位面積質量等的測定。 對於環氧樹脂碳纖維預浸料，我國已制定產品規格。
在碳纖維增強樹脂複合材料的成型過程中，碳纖維與樹脂基體之間存在介面層。 當增強相和基體相分兩相復合時，介面層會發生物理、化學和機械效應，碳纖維與樹脂的介面結合對複合材料的效能尤為重要。 碳纖維與樹脂的介面是決定碳纖維複合材料效能的關鍵因素，也是產品質量控制的關鍵環節。 目前還沒有評估碳纖維和樹脂介面效能的標準方法。
對於碳纖維增強塑料的效能試驗，我國制定了《GB T 1446-2005 纖維增強塑料效能試驗方法通則》和《GB T 1450》。2-2005《纖維增強塑料沖壓剪下強度試驗方法》、《GB T 1451-2005纖維增強塑料簡支梁衝擊韌性試驗方法》、《GB T 28889-2012複合材料麵內剪下效能試驗方法》等標準。 還為纖維增強塑料的燃燒效能建立了標準測試方法。
碳纖維複合材料在建材領域的應用應嚴格遵循各項標準的要求，包括碳纖維複合材料的使用標準和施工標準。 目前，我國已制定了《GB T 21490-2008 結構加固修補用碳纖維板》和《CECS 146-2003（2007）碳纖維板加固混凝土結構技術規範》，規範了碳纖維板建築材料領域的加筋應用技術，對提高加固技術、發展纖維板加固行業發揮了重要作用。
綜上所述，對於碳纖維及其複合材料在建材領域的應用，我國在標準化方面取得了重大進展。 然而，對於不同成分、不同具體功能、不同應用領域的碳纖維複合材料，仍缺乏產品規格，影響效能的關鍵特性部件及其含量、介面結構、相關功能指標確定的標準方法以及施工技術規程等還不完善。 該規範和標準方法的建立，對於檢測評價碳纖維複合材料及相關產品在建材領域的質量，促進碳纖維及其複合材料在建材領域的普遍應用具有重要意義。
碳纖維及複合材料的應用前景：建材領域為例
隨著我國經濟從高速增長階段轉向高質量發展階段，需要加快建設製造強國，提高產業基礎能力和產業鏈水平，推動我國工業向全球價值鏈中高階邁進。 標準作為一種技術規範，對維護市場經濟健康發展具有重要作用，也是國家競爭力的重要體現。
碳纖維複合材料作為一種高效能、多功能的先進複合材料，可作為結構性建築材料和功能性建築材料。 隨著生產和工藝技術的突破，碳纖維複合材料的成本有所降低，建築領域對碳纖維複合材料的需求量巨大。 碳纖維複合材料雖然具有承重、重量輕、強度高等特點，具有良好的力學和物理效能，但能滿足建築結構的需要，符合生態文明建設的發展趨勢。 然而，碳纖維複合材料在建材領域的發展還存在諸多不足，特別是建材用碳纖維複合材料的產品規格、試驗評價方法和標準不完善，使得這種高效能材料沒有得到廣泛應用。
碳纖維複合材料在建材領域應用的拓展和發展，對碳纖維複合材料在建材領域的標準化提出了迫切需求。 一是碳纖維複合材料檢測標準的制定。 通過對現有團體標準和行業標準的優化驗證，對方法進行優化，並開展相關國家標準的制定。 其次，加快碳纖維複合材料檢測方法的開發。 針對使用和施工過程中檢測手段的缺乏，開展了碳纖維導熱係數、熱膨脹係數、力學效能、碳纖維復合棒的耐濕耐熱性、碳纖維功能複合材料的導電性、遮蔽效能、耐腐蝕性等檢測方法的開發，為碳纖維複合材料的具體應用提供關鍵技術支撐建材。
隨著綠色建材產品標識的評價和推廣被納入生態文明建設、城市規劃建設體系，綠色建材的申報、評價和生產研發需要對建材全生命週期的環境安全性進行評價。 研究碳纖維複合材料在其整個生命週期內對環境的影響，有利於促進其迴圈利用。 因此，還有必要加強碳纖維複合材料全生命週期安全與環境影響評價方法的研究。 該類工作可為碳纖維複合材料全生命週期環境影響的檢測提供技術支援和基礎資料，對提高碳纖維複合材料的質量安全性，促進碳纖維複合材料在建材領域的廣泛應用具有重要意義。
延伸閱讀。 世界三大特種纖維丨碳纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯。
1.碳纖維。 碳纖維的製備是乙個高度複雜的過程，包括高溫轉化和多個過程。 通過高溫處理，有機纖維轉化為含碳量超過90%的無機纖維，使其具有優異的耐高溫性和強度特性。 碳纖維因其細如髮絲、輕如羽毛、堅如鋼等特點，被廣泛應用於航空航天、運動器材、新能源汽車等領域。 它不僅改變了產品的輕量化設計，而且提高了各行業的效能標準。
2.芳綸纖維。
芳綸纖維以其高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等特性，成為防護領域的首選材料。 它的分子結構使其具有優異的抗拉伸性和抗壓縮性。 芳綸纖維廣泛應用於防彈背心、化學防護服、防火服等防護用品中。 在軍事、警察、消防等領域，芳綸纖維的優異效能保證了人身安全。
3.超高分子量聚乙烯纖維。
超高分子量聚乙烯纖維具有極高的分子量和密度，使其具有優異的耐磨性、耐化學性和抗紫外線性。 它比鋼更堅固，比碳纖維更輕。 UHMWPE纖維在醫學、航空航天、運動器材等領域顯示出強大的潛力。 在骨科植入材料、太空飛行器結構、運動器材製造等方面，UHMWPE纖維的獨特效能得到廣泛應用。