碳纤维的结构

 碳纤维是一种高强度、高模量的纤维材料，由聚丙烯腈（PAN）、煤沥青或天然纤维素等高含碳原料制得。它由微小的碳纤维束构成，这些碳纤维束又由许多的碳纤维单丝构成。

碳纤维单丝是碳纤维材料中小的结构单元，通常由一个碳原子居中被两个相邻的碳原子共价键结合而成。这些共价键具有高的强度和刚度，使得碳纤维单丝在拉伸和弯曲时具有高的抗拉强度和抗扭转强度。由于碳纤维单丝的尺寸非常小，在直径的数量级上，因此单丝的表面积巨大，导致单丝之间的作用力非常微弱。
碳纤维束是由一组碳纤维单丝构成的。相邻单丝之间的作用力较小，因此碳纤维束的强度比单丝小得多。不过，如果将许多碳纤维束织成合成纤维布，这些碳纤维束之间的作用力将增强，使得碳纤维的强度和刚度更高，成为一种好的复合材料。
碳纤维的结构具有层级性。在碳纤维内部，碳原子通过共价键形成了层层叠加的结构，称为基片。每个基片由数百个碳原子层叠而成，其中的成键角度和键长不同，使得碳纤维的结构具有不同的晶体结构型号。
具代表性的碳纤维晶体结构是石墨晶体结构，其中每层碳原子通过共价键形成六边形状的网格，并在每个六边形的顶部和底部相邻的碳原子之间构成sp2杂化的共价键，形成同层石墨单元。由于石墨单元之间的相互作用较弱，所以形成的碳纤维结构中，石墨单元的层数可以从几个到几十层不等。
碳纤维的结构还存在着一些缺陷，例如结构不完整和晶格缺陷等。这些缺陷可能导致碳纤维的力学性能下降，但也可以被利用来改善碳纤维的力学性能或者赋予其其他的特殊性能。