【专业讲堂】碳纤维复合材料的独特之处是什么？为什么碳纤维的价格如此昂贵？
碳纤维是制造业中一种非常独特且性能卓越的材料。无论是汽车、航空航天、化工还是医疗设备，碳纤维增强塑料（CFRP）因其独特的特性而被大量用于制造上述行业所需的零部件，使其成为一种重要的原材料。碳纤维零件和碳纤维片材主要应用领域包括航空航天、核工程、通用工程、运输，以及包括齿轮、风扇叶片和汽车车身等工程部件。
在碳纤维使用时，通常是将碳纤维作为树脂、陶瓷或金属为基体制成的复合材料的增强材料。由于碳纤维复合材料具有极高的机械特性（比拉伸强度、比模量）和其他特性（低密度、低热膨胀系数、耐热性、化学稳定性等），因此碳纤维广泛应用于各种应用。这些特点使碳纤维变得如此独特和与众不同，这也是几乎所有制造业都喜欢使用碳纤维的原因。
01 是什么让碳纤维复合材料如此独特？
碳纤维的性能特征和特殊特性决定了其独特性。这些特点包括：
1）、CFRP在比强度和比模量（比刚度）方面优于钢或玻璃纤维增强塑料（GFRP）。CFRP具有典型的质轻高强特性。此外，碳纤维复合材料的抗疲劳性能优于其他结构材料。
2）、碳纤维零件具有较低的热膨胀率和较高的尺寸稳定性，即使在高温区域也能保持这些优异的机械性能。
3）、碳纤维具有高导电性（体积阻抗），同时具有优异的EMI屏蔽性能。这成功地将CFRP带入了电磁干扰屏蔽领域。
4）、除了重量轻、刚性好外，碳纤维还具有极好的X射线透射率，因此碳纤维复合材料在医疗设备零件领域受到高度欢迎。CFRP有助于获得更清晰的照片图像。
02 碳纤维复合材料可产生什么价值？
下一代碳纤维复合材料，如预浸料复合材料，可将乘用车重量减少50%，并在不影响性能或安全的情况下将燃油效率提高约35%；以今天的汽油价格计算，这一进步可以在汽车的整个使用寿命期间节省超过 5,000 美元的燃油。除了用于制造汽车和卡车外，碳纤维的进步将有助于制造商降低成本，改善风力涡轮机叶片和塔架、电子设备、储能部件和输电线路的性能。
此外，在 3D 打印技术中，碳纤维复合材料的存在正在增加价值。这是一种用于多种应用的复杂技术，不需要大型设备设置。该技术可用于在短时间内打印多个对象。
与其他金属材料相比，连续碳纤维用于 3D 打印具有更高的强度和刚度。碳纤维的含量和取向是可控的，这简化了优化过程。使用碳纤维的3D打印还可以在航空航天、汽车和牙科等各种终端行业的零件制造中实现高精度。这项技术将彻底改变碳纤维的制造工艺，并将为市场参与者提供重大机遇。
03 为什么碳纤维复合材料价格这么贵？
用于加工碳纤维的原料是一种类似用于毛衣和地毯的纤维，价格不贵，每磅3美元。但将其从前驱体加工成碳丝需要将其加热数小时。此外，还有50%的浪费。在温度超过1000摄氏度的情况下，经过三次加热循环后，电费是相当昂贵的。在制备复合材料时需要加入树脂来固定其最终形状。搞砸了，需要从头开始。
总而言之，碳纤维起价可能为每磅3美元，但当它到达自行车车架制造商时，预浸复合材料织物的价格将接近每平方米20美元。再加上1000小时以上的开发劳动时间、一些错误、大量浪费，4000美元碳纤维自行车车架听起来就不再那么贵了。此外，制造和组装机器并不是唯一需要考虑的技术成本因素。
新的复合材料制造软件即将上市。例如：设计仿真软件以缩短设计周期；用于分析效率损失来源的成本建模软件；基于知识的工程产品，以降低劳动力成本。因此，软件供应商也在推出产品，以帮助提前识别制造风险。这将在错误发生之前减少代价高昂的错误，进一步减少循环时间和碳纤维制造成本。
上述所有因素将碳纤维复合材料/预浸料复合材料的成本推到如此之高地步。就应用而言，碳纤维市场在价值和数量上均以复合材料市场为主导。这种增长是由于碳纤维复合材料在航空航天、国防、汽车和风能等行业的广泛应用。碳纤维制造和碳纤维加工的可扩展性和范围遍布全球各地，尤其是欧洲拥有碳纤维市场的最大市场份额，因为它有大量海上风能装置，随后是在英国和德国。
尽管制造商们正专注于生产低成本碳纤维，但大规模生产和商业化仍需要时间。为了有效降低纤维成本，必须通过大规模生产降低碳纤维的成本。由于碳纤维成本高，其应用仍然受到限制，因此其特性的独特性和最终产品的高昂价格是合理的。