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碳纤维为什么只有黑色的?
发布时间:2022-10-13 15:46 | 浏览次数:




  假如有人问碳纤维有什么愿望,我想它一定会说想拍一张彩色照片。

  这当然是一句奚弄的话,不过也正说明了碳纤维的颜色太单一,只有黑色的可选。天主给了碳纤维黑色的表面,它却想创造多彩的生活。所以,有人开始在碳纤维的颜色上下起了功夫。今天这篇文章简单聊一聊碳纤维颜色那点事。

  碳纤维为什么是黑色的?最惯常的说法是,碳纤维是碳材料,碳元素原本就是黑色的,所以碳纤维就是黑色的嘛。

  这里有两个错误,首先碳元素是没有颜色之说的。元素是一个抽象出来的,用来分类的概念,它是一类原子的总称,并没有所谓的宏观性子。就像我们说动物,我们无法说动物的身高、体重这种属性,只有详细到某种动物或者某一个体才能使用。所以,我们只有详细到哪种碳材料,才能说是什么颜色的。

  其次,并不是所有碳材料都是黑色的。金刚石也是碳材料,晶莹剔透、光彩醒目,跟常见的石墨、碳纤维天差地别。以至于常人很难把金刚石归结为碳材料的范畴。这里面颜色的差异就隐蔽在组成碳材料原子的排列结构上。

  物质体现出不同的颜色,其原理在今天已经特别很是了解了,当物质(分子或离子)吸取了相称可见光能量的电磁波后,就会体现出被人眼所能觉察到的颜色。所以物质之所以具有不同的颜色,这是由于它对不同的波长的可见光具有选择性吸取的效果。而体现为黑色的碳材料,就是由于它吸取了所有波长可见光,所以体现为黑色。

  体现为黑色的碳材料,如石墨、碳纤维、不定性碳等,之所以吸取所有的颜色的可见光,重要是由于含有石墨微晶这种结构。

  在元素周期表中,C排在第6位,原子核外有6个电子,按照电子排列规则,C原子最外层有4个自由电子,必要与其他电子组合成化合建才能达到稳固状况。而石墨微晶结构中,1个碳原子与四周3个碳原子形成共价键,组成六边形网格结构,这种六元网格结构堆垛起来,形成石墨微晶结构。

碳纤维结构

  C原子4个自由电子中,除了形成化学键的3个电子,剩余1个自由电子,游离在六元网格上,与所有的自由电子形成一个覆盖在六元网格上的大π键,这层自由电子可以自由移动,在加载电压之后,可以定向移动,使石墨结构具有很好的导电性,这也是石墨、碳纤维等碳材料可以导电的原理。

碳原子排列

  这层自由电子,就像一个大海绵,吸取各种颜色波长可见光能量。不过单层石墨六元网格结构还不足以将所有颜色波长可见光吸取,多层石墨六元网格结构的堆垛,才能使石墨微晶结构体现为黑色。

  而金刚石材料中1个碳原子与四周4个碳原子形成共价键,没有可以自由移动的电子,不吸取任何可见光。光线照射进来被折射一圈之后,又被折射出去,所以体现为晶莹剔透的无色。同时没有自由移动的自由电子,就没有导电的可能,所以,金刚石不能导电。

碳原子排列表

  天主给了黑色的外表,它却想创造多彩的生活。尤其是汽车改装领域,人们痴迷于碳纤维纹路的科技感表面,却又烦恼颜色太单一。有些脑子活络的商人,看准用户的这一需求,发明了具有碳纤维纹路的贴膜,来雄厚表面。也有的厂商琢磨如何给碳纤维添加不同的颜色。

  可是碳纤维外观并没有活性基团,很难用染色剂染色。通常厂商将碳纤维与其他颜色纤维,如芳纶、玄武岩、玻纤等混编,来制造不同颜色的织物。甚至有许多不良厂商,将玻璃纤维染上黑色,冒充碳纤维,来诳骗不明就里的用户。

  混编得来的颜色每每不能尽如人意,也有厂商考虑在碳纤维外观镀一层金属涂层,来达到改变颜色的目的,或者在与碳纤维复合的树脂内加入一些着色剂来改变表面。2007年苹果公司就采用一种叫做“scrim”的涂层,来给碳纤维上色。

  市场的刺激在徐行进行,技术的发展总有个过程,当碳纤维提供应人更强、更轻的属性后,下一步可能就是更炫。

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