在愛迪生的故事中，我們熟知他通過千百次的實驗，終於發現了耐用的燈絲，為近代工業文明帶來了第一束“光”。然而，鮮為人知的是，他的實驗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

碳纖維是什麼？

碳纖維是由有機纖維經過高溫轉化得到的含碳量在90%以上的一種無機纖維。早在1879年，愛迪生通過將植物纖維在高溫的環境下碳化得到了一種導電性好能滿足燈泡需求的纖維。但因其壽命較短，強度有限，而後被金屬燈絲取代。

1959年日本和美國科學家分別發展了碳纖維生產技術，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用於航空領域。

直到在一百多年後的今天，隨著碳纖維紡絲工藝的進步，已經製備出細如髮絲（5~10微米）、輕如鴻毛（密度約為鋼的五分之一）、強如鋼鐵（斷裂強度是鋼的四倍左右）的高強度碳纖維。。

碳纖維

碳纖維在各領域應用廣泛

如今，碳纖維已成為現代工業體系中不可或缺的底層材料。從釣魚竿這類輕巧的運動器材，到風力發電機葉片；從賽道馳騁的F1賽車，到波音787這樣的航空巨擘，碳纖維都以其輕質高強的性能發揮著重要的作用。

以波音787為例，其機體材料中有高達50%的部分使用了碳纖維複合材料。這種材料之所以如此重要，得益於碳纖維的諸多優異性能。

首先，它的密度低，大幅減輕了飛機自重，從而提升了載客量和運輸能力。其次，碳纖維能顯著降低燃油消耗，使航程更遠、效率更高。此外，碳纖維極高的強度和良好的力學性能，也為飛機機身的安全性和耐用性提供了強有力的保障。這些特性使碳纖維成為推動航空工業進步的核心技術之一。

波音787

高性能碳纖維的製造卻面臨難題

儘管我國已成為碳纖維生產大國，但在高端碳纖維領域仍處於追趕階段。以T1000級以上的碳纖維產品為代表的頂級碳纖維目前尚未實現國產替代，而日本東麗公司等西方國際領先企業在高端碳纖維的生產上佔據主導地位，並且對我國實施了禁運措施。由於這一原因，我國仍面臨高端碳纖維產品的供應瓶頸。因此，加快自主研發、突破碳纖維技術瓶頸、實現技術的國產化顯得尤為迫切。

然而，製造高性能碳纖維並非易事。其中一個核心問題，就是如何表徵與控制碳纖維中的缺陷。

碳纖維生產過程中的缺陷結構演變

這些缺陷如同隱藏在陰影中的幽靈，直接關係到碳纖維的最終性能。

首先，其缺陷大部分包含於纖維內部，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構、長寬及在內部的偏轉角度，都會對材料的性能產生重要影響，而傳統的電鏡觀察切片的方法觀測的實際上其三維結構的投影，如我們畫畫時的三視圖一樣，不同的三維結構的投影圖形可能是一樣的。

畫畫時的三視圖

例如，對於橢球狀的缺陷結構，其截面觀測為圓形，如果以圓形的相關參數來衡量真實的缺陷結構，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構的方法進行觀測。

橢球狀缺陷結構的截面

如果不能及時發現和控制這些缺陷，就可能導致設備或器件的安全性能下降，甚至引發事故。

例如，最近國外發生的泰坦號潛水艇事故，其中一個原因就是未能及時發現潛水艇外殼中的缺陷。這些缺陷在常規檢測手段下難以察覺，如同躲藏在陰影中的敵人。

那麼，這個問題該如何解決呢？

一個巧妙的辦法：用光來“照亮”陰影！

科學家們想到了一個巧妙的方法：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，記錄和表徵缺陷的三維資訊。這種方法不同於傳統的攝影技術，它利用的是光的粒子效應。

當一束X射線照射到樣品上時，光子與碳纖維的電子發生相互作用，就像兩個小球相撞一樣，碰撞后發生了角度等參數的改變，被探測器捕獲，形成一定的散射圖案。由於缺陷部分和規整部分的電子密度存在差異，因此缺陷結構的三維資訊會反應在探測器捕獲的散射圖案中。

通過分析這些散射數據，科學家能夠獲得關於樣品內部結構的詳細資訊如碳纖維的缺陷尺寸、形狀和分佈等。由於同步輻射具有高亮度（通量是太陽的1010倍）高准直等特點，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行表徵，單張譜圖可在一秒以內，因此可以在線的研究碳纖維缺陷結構的演變過程。因此，也被廣泛應用於研究軟物質、聚合物、納米材料和生物大分子等領域，是探索物質微觀世界的重要工具。

正是藉助這種方法，助力我國科學家攻克了千噸級T1000碳纖維的生產工藝，並順利通過了科技成果鑒定。這標誌著我國國產碳纖維已經達到了世界先進水準。這一成就不僅打破了國外的技術封鎖，也為我國工業的發展注入了新的活力。

結語

在未來的日子里，我們可以期待碳纖維在更多領域發揮重要作用。而利用同步輻射等先進技術手段，照亮碳纖維中的陰影、發現其中的缺陷，將成為推動碳纖維技術不斷向前發展的關鍵所在。

正如蘇轼所言：“橫看成嶺側成峰”，只要我們善於從不同角度觀察和思考，就一定能夠發現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於人類社會。

書目：

[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.