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碳纖維爲什麽只有黑色的?
发布时间:2017-03-04 15:24 | 浏览次数:


  如果有人問碳纖維有什麽願望,我想它肯定會說想拍一張彩色照片。

  這當然是一句調侃的話,不過也正說明了碳纖維的顔色太單一,只有黑色的可選。上帝給了碳纖維黑色的外觀,它卻想創造多彩的生活。所以,有人開始在碳纖維的顔色上下起了功夫。今天這篇文章簡單聊一聊碳纖維顔色那點事。

  碳纖維爲什麽是黑色的?最慣常的說法是,碳纖維是碳材料,碳元素本來就是黑色的,所以碳纖維就是黑色的嘛。

  這裏有兩個錯誤,首先碳元素是沒有顔色之說的。元素是一個抽象出來的,用來分類的概念,它是一類原子的總稱,並沒有所謂的宏觀性質。就像必赢的网址登录說動物,必赢的网址登录無法說動物的身高、體重這種屬性,只有具體到某種動物或者某一個體才能使用。所以,必赢的网址登录只有具體到哪種碳材料,才能說是什麽顔色的。

  其次,並不是所有碳材料都是黑色的。金剛石也是碳材料,晶瑩剔透、光彩奪目,跟常見的石墨、碳纖維大相徑庭。以至于常人很難把金剛石歸結爲碳材料的範疇。這裏面顔色的差異就隱藏在組成碳材料原子的排列結構上。

  物質表現出不同的顔色,其原理在今天已經非常了解了,當物質(分子或離子)吸收了相當可見光能量的電磁波後,就會表現出被人眼所能覺察到的顔色。所以物質之所以具有不同的顔色,這是因爲它對不同的波長的可見光具有選擇性吸收的結果。而表現爲黑色的碳材料,就是因爲它吸收了所有波長可見光,所以表現爲黑色。

  表現爲黑色的碳材料,如石墨、碳纖維、不定性碳等,之所以吸收所有的顔色的可見光,主要是因爲含有石墨微晶這種結構。

  在元素周期表中,C排在第6位,原子核外有6個電子,按照電子排列規則,C原子最外層有4個自由電子,需要與其他電子組合成化合建才能達到穩定狀態。而石墨微晶結構中,1個碳原子與周圍3個碳原子形成共價鍵,組成六邊形網格結構,這種六元網格結構堆垛起來,形成石墨微晶結構。

碳纤维结构

  C原子4個自由電子中,除了形成化學鍵的3個電子,剩余1個自由電子,遊離在六元網格上,與所有的自由電子形成一個覆蓋在六元網格上的大π鍵,這層自由電子可以自由移動,在加載電壓之後,可以定向移動,使石墨結構具有很好的導電性,這也是石墨、碳纖維等碳材料可以導電的原理。

碳原子排列

  這層自由電子,就像一個大海綿,吸收各種顔色波長可見光能量。不過單層石墨六元網格結構還不足以將所有顔色波長可見光吸收,多層石墨六元網格結構的堆垛,才能使石墨微晶結構表現爲黑色。

  而金剛石材料中1個碳原子與周圍4個碳原子形成共價鍵,沒有可以自由移動的電子,不吸收任何可見光。光線照射進來被折射一圈之後,又被折射出去,所以表現爲晶瑩剔透的無色。同時沒有自由移動的自由電子,就沒有導電的可能,所以,金剛石不能導電。

碳原子排列表

  上帝給了黑色的外表,它卻想創造多彩的生活。尤其是汽車改裝領域,人們癡迷于碳纖維紋路的科技感外觀,卻又煩惱顔色太單一。有些腦子活絡的商人,看准用戶的這一需求,發明了具有碳纖維紋路的貼膜,來豐富外觀。也有的廠商琢磨如何給碳纖維添加不同的顔色。

  可是碳纖維表面並沒有活性基團,很難用染色劑染色。通常廠商將碳纖維與其他顔色纖維,如芳綸、玄武岩、玻纖等混編,來制造不同顔色的織物。甚至有很多不良廠商,將玻璃纖維染上黑色,冒充碳纖維,來欺騙不明就裏的用戶。

  混編得來的顔色往往不能盡如人意,也有廠商考慮在碳纖維表面鍍一層金屬塗層,來達到改變顔色的目的,或者在與碳纖維複合的樹脂內加入一些著色劑來改變外觀。2007年蘋果公司就采用一種叫做“scrim”的塗層,來給碳纖維上色。

  市場的刺激在緩步進行,技術的發展總有個過程,當碳纖維提供給人更強、更輕的屬性後,下一步可能就是更炫。

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