一. 我是谁？

先澄清几个常识吧。

1. 碳是一种元素，炭是一种物质；某些炭的碳含量很高，但基本上是无定形碳的结构，强度很差。
2. 碳单质，即基本上全部是碳元素构成的物质，包括无定形碳、石墨、金刚石、富勒烯、石墨烯、碳纳米管、碳纤维。
3. 碳单质的结构不同，物理性能（硬度和强度）会千差万别。
4. 关于键能，碳碳三键＞碳碳双键＞碳碳单键。

1.1. 无定形碳

无定形碳属于 sp3/sp2 杂化混合，近似非晶形态（或无固定形状和周期性的结构规律）。富含无定形碳的材料包括煤炭、木炭、活性炭、炭黑等。大部分无定形碳是石墨层型结构的分子碎片大致相互平行地，无规则地堆积在一起，力学强度和硬度很差。

1.2. 金刚石、石墨、富勒烯

金刚石是 sp3 杂化，石墨和富勒烯是 sp2 杂化。关于三者的硬度、强度等都是初中化学的知识，这里只是做个引子。

1.3. 石墨烯、碳纳米管

石墨烯（左上）和碳纳米管（左下），与石墨和富勒烯（右上和右下）均属于 sp2 杂化。简单说，石墨是一层层的碳片叠成的晶体，富勒烯是呈球形的单层碳片，石墨烯是剥离开的呈片状的单层碳片，碳纳米管是呈管状的单纯碳片。

理论上，单层碳片的力学强度非常高。但是石墨烯、碳纳米管和富勒烯，没有在复合材料发挥像碳纤维一样的性能，本质是因为分子量不够，无法形成宏观的材料增强体。

我个人认为在复合材料领域，未来很长一段时间内，石墨烯和碳纳米管，会走富勒烯的老路——诺贝尔奖加持，集万千宠爱于一身，但始终无法大规模和高品质量产，无法找到合适的应用。

1.4. 碳纤维

碳纤维可以用不同的原材料制备，主要有聚丙烯腈（PAN）、沥青（可以分别称之为 PAN 基或者沥青基碳纤维）。其中以聚丙烯腈最为常见，大约 90%的碳纤维由它而制造（不特别说明的话，碳纤维指的就是 PAN 基碳纤维）。

碳纤维的强度先不做具体介绍，追本溯源，碳纤维之所以这么强，本质上它是一种高分子材料，实现了 sp2 结构的连续。通过 PAN 纤维，最终变为碳纤维，无疑是碳材料的胜利——真正发挥强度的可能性实现了。（思考一下，有什么办法实现金刚石的大规模大尺寸工业化生产，千克拉钻石什么时候出现？）

总之，碳纤维作为一种 sp2 杂化的碳高分子材料，在强度、模量上还有很大的提升空间。根据理论计算，碳纤维固有强度和模量分别可达到 184GPa 和 1020GPa（现在最先进的超高强钢的强度是 2GPa，模量是 210GPa）。今天先科普一下碳纤维的由来，关于碳纤维复合材料，还存在很多成本、工艺和性能的问题，后续再介绍。