粗細(xì)不及頭發(fā)十分之一，但它們的缺陷科學(xué)家“一照便知”

出品：科普中國

作者：張昊（中國科學(xué)院上海高等研究院助理研究員）

監(jiān)制：中國科普博覽

在愛迪生的故事中，我們熟知他通過千百次的實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了耐用的燈絲，為近代工業(yè)文明帶來了第一束“光”。然而，鮮為人知的是，他的實(shí)驗(yàn)中使用綿竹纖維燒成的碳絲，在無意中揭開了近代新材料——碳纖維的篇章。

愛迪生與燈泡

（圖片來源：veer圖庫）

碳纖維是什么？

碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)過高溫轉(zhuǎn)化得到的含碳量在90%以上的一種無機(jī)纖維。早在1879年，愛迪生通過將植物纖維在高溫的環(huán)境下碳化得到了一種導(dǎo)電性好能滿足燈泡需求的纖維。但因其壽命較短，強(qiáng)度有限，而后被金屬燈絲取代。

1959年日本和美國科學(xué)家分別發(fā)展了碳纖維生產(chǎn)技術(shù)，使其性能大幅度提高。1982年碳纖維首次被波音及空客等公司應(yīng)用于航空領(lǐng)域。

直到在一百多年后的今天，隨著碳纖維紡絲工藝的進(jìn)步，已經(jīng)制備出細(xì)如發(fā)絲（5~10微米）、輕如鴻毛（密度約為鋼的五分之一）、強(qiáng)如鋼鐵（斷裂強(qiáng)度是鋼的四倍左右）的高強(qiáng)度碳纖維。。

碳纖維

（圖片來源：中國科學(xué)報(bào)）

碳纖維在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛

如今，碳纖維已成為現(xiàn)代工業(yè)體系中不可或缺的底層材料。從釣魚竿這類輕巧的運(yùn)動(dòng)器材，到風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片；從賽道馳騁的F1賽車，到波音787這樣的航空巨擘，碳纖維都以其輕質(zhì)高強(qiáng)的性能發(fā)揮著重要的作用。

以波音787為例，其機(jī)體材料中有高達(dá)50%的部分使用了碳纖維復(fù)合材料。這種材料之所以如此重要，得益于碳纖維的諸多優(yōu)異性能。

首先，它的密度低，大幅減輕了飛機(jī)自重，從而提升了載客量和運(yùn)輸能力。其次，碳纖維能顯著降低燃油消耗，使航程更遠(yuǎn)、效率更高。此外，碳纖維極高的強(qiáng)度和良好的力學(xué)性能，也為飛機(jī)機(jī)身的安全性和耐用性提供了強(qiáng)有力的保障。這些特性使碳纖維成為推動(dòng)航空工業(yè)進(jìn)步的核心技術(shù)之一。

波音787

（圖片來源：澎湃新聞）

高性能碳纖維的制造卻面臨難題

盡管我國已成為碳纖維生產(chǎn)大國，但在高端碳纖維領(lǐng)域仍處于追趕階段。以T1000級(jí)以上的碳纖維產(chǎn)品為代表的頂級(jí)碳纖維目前尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，而日本東麗公司等西方國際領(lǐng)先企業(yè)在高端碳纖維的生產(chǎn)上占據(jù)主導(dǎo)地位，并且對(duì)我國實(shí)施了禁運(yùn)措施。由于這一原因，我國仍面臨高端碳纖維產(chǎn)品的供應(yīng)瓶頸。因此，加快自主研發(fā)、突破碳纖維技術(shù)瓶頸、實(shí)現(xiàn)技術(shù)的國產(chǎn)化顯得尤為迫切。

然而，制造高性能碳纖維并非易事。其中一個(gè)核心問題，就是如何表征與控制碳纖維中的缺陷。

碳纖維生產(chǎn)過程中的缺陷結(jié)構(gòu)演變

（圖片來源：深圳大學(xué)徐堅(jiān)朱才鎮(zhèn)課題組）

這些缺陷如同隱藏在陰影中的幽靈，直接關(guān)系到碳纖維的最終性能。

首先，其缺陷大部分包含于纖維內(nèi)部，無法通過填充的方式探測（如汞壓法、氮吸附等），另一方面它們的三維結(jié)構(gòu)、長寬及在內(nèi)部的偏轉(zhuǎn)角度，都會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生重要影響，而傳統(tǒng)的電鏡觀察切片的方法觀測的實(shí)際上其三維結(jié)構(gòu)的投影，如我們畫畫時(shí)的三視圖一樣，不同的三維結(jié)構(gòu)的投影圖形可能是一樣的。

畫畫時(shí)的三視圖

（圖片來源：作者供圖）

例如，對(duì)于橢球狀的缺陷結(jié)構(gòu)，其截面觀測為圓形，如果以圓形的相關(guān)參數(shù)來衡量真實(shí)的缺陷結(jié)構(gòu)，必然帶來極大的誤差。因此，我們需要有一種直接觀測缺陷三維結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行觀測。

橢球狀缺陷結(jié)構(gòu)的截面

（圖片來源：作者供圖）

如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制這些缺陷，就可能導(dǎo)致設(shè)備或器件的安全性能下降，甚至引發(fā)事故。

例如，最近國外發(fā)生的泰坦號(hào)潛水艇事故，其中一個(gè)原因就是未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛水艇外殼中的缺陷。這些缺陷在常規(guī)檢測手段下難以察覺，如同躲藏在陰影中的敵人。

那么，這個(gè)問題該如何解決呢？

一個(gè)巧妙的辦法：用光來“照亮”陰影！

科學(xué)家們想到了一個(gè)巧妙的方法：利用同步輻射X射線作為光源，照亮碳纖維中的陰影。

通過散射的方法，記錄和表征缺陷的三維信息。這種方法不同于傳統(tǒng)的攝影技術(shù)，它利用的是光的粒子效應(yīng)。

當(dāng)一束X射線照射到樣品上時(shí)，光子與碳纖維的電子發(fā)生相互作用，就像兩個(gè)小球相撞一樣，碰撞后發(fā)生了角度等參數(shù)的改變，被探測器捕獲，形成一定的散射圖案。由于缺陷部分和規(guī)整部分的電子密度存在差異，因此缺陷結(jié)構(gòu)的三維信息會(huì)反應(yīng)在探測器捕獲的散射圖案中。

通過分析這些散射數(shù)據(jù)，科學(xué)家能夠獲得關(guān)于樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息如碳纖維的缺陷尺寸、形狀和分布等。由于同步輻射具有高亮度（通量是太陽的1010倍）高準(zhǔn)直等特點(diǎn)，及X射線的穿透特性，因此可以在不破壞樣品的情況下快速地進(jìn)行表征，單張譜圖可在一秒以內(nèi)，因此可以在線的研究碳纖維缺陷結(jié)構(gòu)的演變過程。因此，也被廣泛應(yīng)用于研究軟物質(zhì)、聚合物、納米材料和生物大分子等領(lǐng)域，是探索物質(zhì)微觀世界的重要工具。

正是借助這種方法，助力我國科學(xué)家攻克了千噸級(jí)T1000碳纖維的生產(chǎn)工藝，并順利通過了科技成果鑒定。這標(biāo)志著我國國產(chǎn)碳纖維已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。這一成就不僅打破了國外的技術(shù)封鎖，也為我國工業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。

深圳晚報(bào)報(bào)道

（圖片來源：深圳晚報(bào)）

結(jié)語

在未來的日子里，我們可以期待碳纖維在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。而利用同步輻射等先進(jìn)技術(shù)手段，照亮碳纖維中的陰影、發(fā)現(xiàn)其中的缺陷，將成為推動(dòng)碳纖維技術(shù)不斷向前發(fā)展的關(guān)鍵所在。

正如蘇軾所言：“橫看成嶺側(cè)成峰”，只要我們善于從不同角度觀察和思考，就一定能夠發(fā)現(xiàn)隱藏在陰影中的真相，讓碳纖維這種神奇的材料更好地服務(wù)于人類社會(huì)。

參考文獻(xiàn)：

[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.