引言

碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）作为高度工程化材料，具有高比模量和高比强度。它们非常适用于对高强度和刚度、较低重量以及卓越疲劳特性有关键要求的应用场合。与铝和钢相比，碳纤维的比强度约高出十倍（取决于所用的纤维）。在过去的五十年中，CFRP已成功应用于航空航天、汽车、铁路运输、海洋和风能行业。过去二十年，CFRP的全球复合年增长率（CAGR）约为12.5%。在航空航天领域，最近的两款远程飞机，空客A350和波音787，在机身结构中广泛使用CFRP，占50%以上的重量比例。对于汽车结构（例如车身面板、车顶和地板组件），它们在刚度方面的需求，使得碳纤维具有减轻车辆质量和提高性能的优势。在风力涡轮机应用中，碳纤维比E-玻璃纤维具有更高的比模量，使得风叶更长、设计更纤细，具备卓越的空气动力性能。随着轻质燃料储存的扩大，复合材料压力容器正在迅速增长。越来越严格的全球二氧化碳（CO2）排放标准和当前的碳中和法规将对碳纤维复合材料行业产生深远影响。轻质复合材料在可再生能源领域，如风能、光伏或氢能，具有在保护、储存、运输和使用方面的广泛要求。本文全面回顾了碳纤维和碳纤维复合材料的历史，全球CFRP的发展和生产现状，航空航天、风力涡轮机、汽车、压力容器、体育休闲、建筑等领域CFRP发展的趋势。从新兴材料（如大丝束碳纤维和热塑性基体）、制造工艺（如成本效益高的高压釜外制造和旨在降低成本和增加产量的液体成型）以及复合材料回收和再利用的迫切需求和挑战等方面讨论了新碳纤维复合材料开发的意义。
碳纤维和碳纤维复合材料的历史

发展的早期

碳纤维和碳纤维复合材料的早期发展涵盖了50年代和60年代。碳纤维具有高碳含量，直径在5–10μm范围内。碳纤维的优点包括高比强度、高比模量、高耐化学性和耐热性以及低热膨胀性。1958年，美国联合碳化物公司的Roger Bacon在氩气中加热人造丝，实验测量碳的三相点时，意外地生产出了碳纤维。1960年，来自H.I.Thompson纤维玻璃公司（美国）的Richard Millington开发了将人造丝基纤维中的碳含量提高到99wt%的方法，并申请了专利（美国专利号3294489）。大约在同一时间，日本和英国的研究人员正在使用聚丙烯腈（PAN）代替人造丝开发碳纤维。PAN是一种合成的半结晶有机聚合物树脂，具有直链式C3H3N。1959年，日本大阪工程技术研究所的Akio Shindo成功地使用成本效益高的生产方法生产了碳含量为-55wt%的碳纤维。它的模量大约是人造丝基碳纤维的三倍。PAN工艺由于更高的碳产率和更简单的制造工艺而变得更经济。东丽工业（日本）于1961年开始对PAN碳纤维技术感兴趣，并于1964年建立了中试生产。1970年晚些时候，东丽与该研究所签订了PAN工艺的许可协议。英国皇家飞机公司（RAE，UK）的W.Watt、L.N.Phillips和W.Johnson也于1963年为使用PAN纤维的碳纤维制造工艺申请了专利。这一制造工艺创造了比以前工艺更强的碳纤维产品。随后，英国国家研究发展公司向罗尔斯·罗伊斯、Morganite和Courtaulds授予了该工艺的许可证。罗尔斯·罗伊斯当时开始使用碳纤维生产喷气发动机组件，并凭借RB-211航空发动机进入美国市场，该发动机具有碳纤维复合材料压缩机叶片。不幸的是，鸟类撞击被证明是压缩机叶片的一个主要弱点，这导致了劳斯莱斯的重大挫折。最终，劳斯莱斯卖掉了他们的碳纤维工厂。20世纪60年代，日本和英国公司领导了碳纤维生产的实验室技术开发。代表公司有日本大阪技术研究所、东海炭素、日本炭素、东丽、三菱、东宝等，英国皇家飞机公司、皇家原子能协会、Courtaulds、罗尔斯·罗伊斯等，同时杜邦、联合碳化物等美国公司正在试验丙烯酸或粘胶基碳纤维产品，因此美国PAN基碳纤维的开发晚于日本和英国。

碳纤维复合材料产业的开端碳纤维复合材料工业的开端是在70年代到80年代之间。1970年，日本东丽工业公司和美国联合碳化物公司成立了一家合资技术企业，导致PAN基碳纤维生产的成熟，该生产在当今全球市场占据主导地位。在碳纤维制造工艺的发展过程中，英国、美国和日本之间进行了密切合作。1971年，东丽公司建立了12吨碳纤维生产能力（当时世界上最大的），并开始生产Torayca®300（T300）。1972年，东丽推出了第一个商业碳纤维复合产品系列——鱼竿。这些鱼竿将现有产品的重量减少了约50%，并且相对更贵。

1972年，美国的Hercules从RAE获得碳化技术，并采用了Courtaulds的前驱体。随后，美国和日本公司生产碳纤维高尔夫球杆、网球拍和自行车，其性能在市场上受到高度评价。然而，CFRP在当时主要用于运动和休闲。1975年是自1973年石油危机以来的一个转折点，这场危机迫切需要减少机身重量以减少燃料消耗。波音和空中客车等飞机制造商专注于使用碳纤维增强塑料制造不影响飞行安全的二级飞机结构。1980年，波音公司提出了商用飞机制造对碳纤维的要求。1982年，他们开始在波音757、波音767和航天飞机上使用T300。CFRP进入了航空航天结构的工程应用，包括军用和民用飞机。

CFRP的大规模生产是在军用飞机的制造中实现的。20世纪80年代见证了碳纤维生产的工业化，碳纤维系列化和应用取得了重大突破。凭借1000吨/年的单线生产能力，东丽已基本完成其现有产品系列的大部分，即初期的T300、中期的T800和T1000以及后期的M60J。Torayca®碳纤维的拉伸性能如表1所示。随着碳纤维增强塑料在飞机部件中的广泛应用，到1988年，Torayca®碳纤维的累计产量已超过10万吨。与此同时，英国进行了几次技术转让，最初是向美国，然后是向中国、印度、俄罗斯和巴西。由于美国、日本和英国之间的技术转让，工业碳纤维制造商Zoltek于1988年在美国推出。台湾的福尔摩沙开始与美国的Hitco进行技术合作。表1. TORAYCA®碳纤维的拉伸性能

碳纤维复合材料应用第一波浪潮——航空航天结构材料碳纤维复合材料的第一波应用浪潮涵盖了20世纪90年代至00年代。20 世纪 90 年代的特点是碳纤维生产商合并和企业收购。1990 年，Torayca® CFRP 预浸料被波音公司采用，用于波音 777 的主要机身结构，如图1所示。美国航空航天公司Hexcel从Hercules手中收购了碳纤维部门。石油巨头阿莫科加入了联合碳化物公司等美国主要碳纤维制造力量，并与东宝和塞拉尼斯成立了合资企业。2001 年，这些资产的所有权发生变更，并更名为 Cytec。1997年，当德国石墨巨头西格里集团从英国考陶德收购RK Carbon时，碳纤维行业的先驱考陶德从此销声匿迹。后来西格里集团通过与高尔夫球杆工厂Aldila合资购买了碳纤维的股份。图1. 碳纤维应用随时间的发展。版权所有：三菱材料公司波音公司于 2003 年启动了 787 项目，在机身和主要结构中比以前的任何商用飞机都更大量地使用 CFRP（50 wt%）。图 2显示了波音 767 和波音 787 所用材料的比较。CFRP 的使用量从仅在波音 767 的襟翼中使用 3 wt% 大幅增加到覆盖机身、主翼、尾翼和襟翼的 50 wt%。波音 787。

由于 CFRP 的广泛采用，铝的百分比从 77 wt% 下降到 20 wt%。与波音 767 相比，波音 787 的重量大幅减轻，节省了 20-22% 的燃油。2005 年，波音 787 的竞争对手空中客车公司推出了 A350 XWB 计划，该计划也主要使用 CFRP（53 wt%），从而减少了 50%结构维护和机身检查频率降低（空客 A380 要求的间隔时间从 8 年延长到 12 年）。90年代和00年代被视为碳纤维复合材料在航空航天应用的第一波浪潮。商业航空公司成功并逐步使用更多的碳纤维复合材料来制造飞机机身。40 年来 CFRP 的采用加速如图 3所示。波音 787 和空客 A350 分别采用了 50 wt% 和 53 wt% 的 CFRP，这是一个里程碑。CFRP采用急剧增加的原因，特别是2005年之后，主要归因于航空公司对降低燃油消耗、CO 2排放和维护成本、更长的设计寿命、通过零件集成降低工具和装配成本的要求。预计未来20年将交付约9000架新型宽体飞机，其主要结构主要采用CFRP。私人飞机和直升机中 CFRP 的使用重量可高达 70-80%。这一时期，我国碳纤维的研发和生产开始腾飞并迅速加速。

这就催生了国内多家碳纤维生产企业，如中复神鹰、江苏恒神、吉林炭谷（碳谷）、光威等。图2. 波音767和波音787的材料使用比较。版权所有：三菱材料。图3. 增加CFRP在商用空客和波音飞机上的使用。

碳纤维复合材料应用第二波浪潮——工业（非航空航天）用途碳纤维复合材料应用的第二波浪潮大约在10年代及以后。本世纪10年代的特点是碳纤维的应用从航空航天向非航空航天工业用途急剧扩展，并以大批量、低成本为特点。如图1所示，碳纤维的工业用途增长速度更快。这些应用包括风能、汽车、铁路运输和民用基础设施。2007年，Zoltek开始与风力涡轮机 原始设备制造商（OEM）维斯塔斯合作，在美国风力涡轮机叶片中使用碳纤维。与玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料制成的叶片相比，在60米长的涡轮叶片中采用CFRP复合材料预计可减少叶片总重量38%，成本降低14%，并提高产量功率密度和延长叶片疲劳寿命。

由于在风力涡轮机叶片中成功使用拉挤碳纤维增强翼梁帽，维斯塔斯对碳纤维产生了前所未有的需求，从而导致碳纤维行业内的一体化程度不断提高。具有里程碑意义的事件是东丽在2014年底收购Zoltek，这导致了碳纤维工业和航空航天市场的融合。

Zoltek 是低成本工业级碳纤维的全球领导者。从那时起，它经历了几次扩张。最近，Zoltek宣布在北美扩建13吨/年，并在墨西哥进一步扩建6吨/年，这将导致其全球碳纤维产能增加至35吨/年。目前，碳纤维在风力发电机叶片上的应用已大大超过在航空航天领域的应用。2010年，宝马与西格里在美国设立合资碳纤维工厂，总产能为9吨/年，旨在为电动汽车轻量化提供碳纤维来源。

2017年8月，西格里确认收购宝马碳纤维合资公司股权，宝马退出碳纤维行业。在此期间，中国出现了碳纤维生产投资热潮，韩国、俄罗斯、土耳其、台湾等地区也出现了新的进入者。现在已经生产出比早期版本具有显着提高的拉伸模量和拉伸强度的碳纤维，例如，东丽工业公司现在生产拉伸模量高达588 GPa（M60J）和拉伸强度为7000 MPa（T1100S和T1100G）的碳纤维。在过去的20年里，通过采用新兴的前驱体材料（木质素前驱体、聚烯烃前驱体、PAN-丙烯酸甲酯前驱体、纺织品前驱体等）和改进的转化工艺（先进的氧化稳定化），制造碳纤维的成本显着降低。等离子或微波技术、先进的表面处理和施胶等）。主要用于工业应用的大丝束碳纤维（超过40,000根长丝）是下一代碳纤维发展的另一个特点。Zoltek 是全球领先的大丝束 (>50k) 碳纤维商业供应商，因为它为风能涡轮机叶片供应产品。大丝束效率和生产率的提高进一步降低了碳的成本。

碳纤维性能的提高和成本的降低克服了碳纤维作为先进复合材料的强韧、轻质增强材料广泛使用的主要瓶颈。美国 ORNL 的碳纤维技术设施 (CFTF) 率先推出了纺织级碳纤维 (TCF)，即宽丝束 300-450k 丝束，与商用航空航天级碳纤维相比，成本降低 50%，蕴含能量降低 60% 。ORNL 纤维是一种非航空航天级纤维，模量范围为 260 至 290 GPa，拉伸强度为 1700-2700 MPa，因此非常适合汽车和风能领域的模量驱动应用 。这些发展为碳纤维在风能、汽车、铁路运输、建筑、石油和天然气以及海洋和近海工业中的应用开辟了道路。展望未来，碳纤维和树脂的新科学技术将在消费和特殊工业用途中找到更广泛的应用。

当前全球CFRP复合材料开发和生产情况

图4显示了2008年至2025年全球CFRP复合材料的需求量。可以看出，自2014年以来，CFRP复合材料的使用量呈稳步增长趋势。2021年消耗量约为181吨，是2014年的两倍多。预计2025年需求量将达到285吨。

2008-2025年全球对CFRP复合材料的需求。图5a显示了风能、航空航天、运动休闲、汽车、模塑和化合物、压力容器、碳/碳复合材料、建筑等领域的全球CFRP复合材料需求。2021年，风力涡轮机叶片消耗了大量碳纤维复合材料。CFRP 产量达到令人印象深刻的 50.8 吨，占总需求的 28%。与2018年相比，增加了16.6吨。

但受疫情影响，航空航天领域消费量大幅下降（较2018年下降23%），为25.4吨，占风电叶片CFRP消费量的近一半。尽管发生了新冠疫情，运动和休闲市场（2021 年为 28.5 吨）仍保持稳定。

越来越多的汽车使用CFRP复合材料，特别是在电动汽车中（例如，电池盖由具有各种CF增强形式的CFRP复合材料制成）。2021年，液体和气体储存和运输压力容器中CFRP的消耗量占总价值的9%，表明该领域的使用量有所增加。2021年全球CFRP销售总收入约为200.5亿美元，较2018年的248亿美元有所下降。航空航天CFRP市场的急剧减少和其他行业的增长归因于图5b所示的收入分布。

航空航天和风能领域在碳纤维复合材料消耗的数量和成本方面表现出明显的对比。航空航天 CFRP 复合材料是通过复杂的工艺制造的，从预浸料切割和自动铺层，到热压罐固化和质量检查和保证，然后是机械加工和组装。然而，风力涡轮机复合材料中的CFRP复合材料主要通过拉挤成型和真空辅助树脂传递模塑成型制造。CFRP 部件制造完成并经过测试后，将直接进行组装。

因此，这两个领域的研发周期有很大不同，前者至少需要10年，后者通常需要1-2年。对于汽车、轨道交通和其他行业来说，寻找合适且具有成本效益的 CFRP 制造路线以实现性能和经济性之间的最佳平衡非常重要。

2021年，中国市场（61.8亿美元）取代美国市场成为最大的CFRP市场份额，占全球消费量的30.8%（图5c）。

这一趋势反映了COVID-19大流行对美国航空航天市场的重大影响。中国生产了全球90%的CFRP运动休闲产品和全球60%的风电叶片，在全球CFRP收入中占据重要地位。欧洲消费了 44 亿美元的 CFRP 复合材料，占全球收入的 21.9%。全球对CFRP按工艺的需求如图5d所示，其中纤维缠绕和拉挤工艺超过预浸料和叠层工艺，成为2021年的主要制造方法。2021年全球对纤维缠绕和拉挤工艺制造的CFRP的需求量份额最大为65.5 kt，占总需求的36.1%。这一令人印象深刻的转变部分受到航空航天大流行回归的影响，但即使航空航天行业能够在2019年恢复到原来的规模，来自风能和压力容器制造的强劲驱动力将继续在创新和成本效益方面发挥重要作用CFRP 复合材料。值得注意的是，长丝缠绕和拉挤工艺从纤维到最终复合材料产品的材料浪费最少。

图5. 2021年CFRP复合材料的全球需求(a)应用和(d)工艺；2021年全球CFRP复合材料收入(b)应用和(c)地区。随着碳纤维复合材料第二次应用浪潮，以CFRP在非航空航天工业应用的显着增长为标志，全球主要碳纤维生产商已经提出了扩张计划。

图6显示了2020年全球碳纤维产能。产量排名前五位的公司为106.6kt，占全球总产能（170kt）的62%，分别是：东丽（包括Zoltek），产量为54.5kt（风能领域的主要参与者）涡轮机部门）；SGL 15.0 kt（汽车行业）；三菱溧阳14.3克拉；Toho Tenax 为 18.0 kt，Hexcel 为 15.2 kt。来自中国、韩国、土耳其和其他地区的一些新参与者正在涌现。图6. 各公司2020年全球碳纤维产能
CFRP的发展趋势
航天

CFRP 复合材料在飞机上的使用是从副翼、配平片和方向舵等辅助结构开始的。CFRP 表现出优异的机械性能，例如高强度重量比和高刚度重量比。随着技术的进步，纤维和基体性能得到了显着改善，从而增强了层压板的性能，使该材料能够应用于机身、垂直尾翼、尾翼箱和机翼等飞机主要结构，并取代传统的轻质金属合金。表 2总结了复合材料（尤其是 CFRP）在军用和民用飞机中的应用不断增加。例如，F/A-18 E/F军用飞机的水平安定面、机翼组件、机身、垂直尾翼均采用CFRP复合材料，占结构重量的19%，覆盖外表面的60%。

在 CH-53K 直升机中，通过使用 FRP 复合材料（>75wt%），部分实现了外部负载能力三倍的增加。在现代战斗机中，例如欧洲战斗机，重量为 40% 的复合材料和外蒙皮的复合材料覆盖率为 70%，由于质量减轻，增强了飞机的敏捷性。机身曲率是通过复合材料制造实现的，雷达吸波复合材料使横截面更小，增强了飞机的隐身性。表2. FRP复合材料在军用和商用飞机上的应用。

大规模使用复合材料的主要民用飞机是波音和空客。从波音 737、757 到梦想飞机 787，复合材料首先用于波音 737 中的副翼等次要结构（3 wt% 复合材料），以及波音 777 中的控制面、机身侧板和地板梁等主要结构（12 wt% 复合材料） ）。

波音787是第一架使用大比例CFRP复合材料（50wt%）的民用飞机。由于复合材料结构具有优异的抗疲劳性，材料和结构设计以及制造方面的彻底变革将维护间隔从 6 年延长至 13 年。

随着时间的推移，空中客车公司还增加了其 A310、A320、A330、A380 和 A350 XWB 中 CFRP 复合材料的采用。A310（8wt％复合材料）使用CFRP垂直稳定器，与铝合金版本相比减轻了400公斤，A320（15wt％复合材料）将CFRP的使用扩展到第二蒙皮，比铝蒙皮减轻了800公斤的重量表面，从而显着降低燃料消耗。A350 XWB 的机身和机翼结构由 CFRP 复合材料制成，并且使用了最大比例的 CFRP（ 53wt%），这使得运营成本比波音 787 降低了 8% 。在飞机上应用CFRP复合材料的主要动机之一是航空航天工业的生态效率，即更少的燃料消耗导致更低的温室气体排放和降低成本。图7显示了2004年至2025年全球航空航天领域的碳纤维需求量以及2021年各部门的分布情况。Teal Group公司的数据显示，2020年飞机乘客较2019年减少了63%，原因是大流行。

因此，波音和空客大幅削减了飞机产量；波音将B787飞机的产量减少至每月十架，并在2021年进一步削减至每月两架。此外，2020年10月，波音宣布将关闭位于西雅图的B787组装基地，并与波音南卡罗来纳州整合产能。空中客车公司将 A350 的产量减少至每月 5 架。

2020年6月，东丽复合材料美国公司因疫情暂停了南卡罗来纳州斯帕坦堡县工厂的运营，并大幅削减了华盛顿州塔科马预浸料工厂的产能。所有这些导致2020年航空航天业的碳纤维需求预计下降30%。2020年约53%的碳纤维需求来自商用飞机，16%的需求来自军用飞机。

2020 年的某个时候，大约有 18,000 架飞机被停放或入库，其中许多飞机再也没有返回。全球疫情导致航空航天产业供应链大幅减产、裁员、取消订单，复苏可能需要4-5年时间。图7. 航空航天业对全球碳纤维的需求。

尽管COVID-19导致碳纤维需求衰退，但CFRP复合材料在航空航天工业中取得了一些进展。在材料方面，来自纺织PAN或熔纺PAN的新型低成本碳纤维、高性能快速固化树脂、大丝束单向碳纤维以及具有复杂纺织结构的干预成型件将导致复合材料的成本降低组件或结构。

制造业的进步包括纤维缠绕和自动纤维铺放/自动铺带 (AFP/ATL) 的自动化解决方案、非热压罐工艺（例如树脂传递模塑）、树脂在一次操作中对不同部件进行灌注（真空辅助）、压缩成型和电子束固化。制造过程中的在线质量控制将在不影响机械性能的情况下降低制造成本。神经网络、模糊逻辑、遗传算法、自适应神经模糊推理系统等人工智能（AI）技术在性能预测、损伤检测、逆向工程、设计和加工参数等方面发挥着越来越重要的作用。

人工智能中使用的数据驱动模型直接从高维、高通量的数据中建立变量之间的复杂关系，进而捕捉传统力学方法难以发现的规律，在复杂碳纤维复合材料的模拟、预测、优化方面表现出优势材料和结构。

风力涡轮机低成本碳纤维: 尽管碳纤维具有优异的机械性能，但成本高是碳纤维被航空航天工业以外的其他领域广泛接受的主要问题。碳纤维在航空航天中的使用是因为它具有更高的成本承受能力。随着各行业对碳纤维的需求不断增加，特别是在风力涡轮机叶片等大批量应用中，迫切需要低成本的碳纤维。

此外，美国和欧洲对运输车辆温室气体排放的监管更加严格，引发了更多低成本碳纤维的研发。汽车结构，如车身面板、车顶和车辆地板，是刚度驱动的，其中碳纤维在轻量化和增强性能方面表现出显着的优势。

与航空航天和飞机结构相比，汽车的机械要求中等或较低。对于商用车来说，要盈利，低成本碳纤维至关重要，这已经转化为人们对开发具有中等强度和高刚度性能的低成本碳纤维的浓厚兴趣。

碳纤维的制造基本上涉及前驱体合成、纤维纺丝、稳定化、碳化和表面处理五个步骤，其中前驱体材料占商业化PAN基碳纤维生产总成本的近53%。通常，商业碳纤维在碳化之后经过电解表面活化，然后通过将碳纤维粗纱拉伸通过上浆乳液或分散体浴而施加上浆。施胶分散体与纤维和基体的官能团强烈相互作用。施胶分散体通常包含与聚合物基质相同的化学类别，以确保化学相容性。施胶的碳纤维表现出高表面能，有利于基体对纤维的良好润湿。崔等人回顾了降低碳纤维原丝成本方面的技术进步和总结的新原丝材料（见表3 ）。

表3. 低成本碳纤维前驱体材料。用于制造地毯、毯子和衣服的纺织级PAN 纤维具有较大的丝束（160-320k 长丝，而商用碳纤维前体的单丝为 3-12k），丙烯腈纯度较低，并且可以减少成本高达39%。生产的碳纤维通常具有较大的截面和较高的线密度，性能变化较大。其他缺点包括不可控的氧化和稳定过程长。肖库法尔等人。

发现纺织PAN原丝纤维中衣康酸共聚单体的存在增加了碳纤维的拉伸强度，而2-甲基-2-丙烯酰氨基丙烷磺酸钠、甲代烯丙基磺酸钠的存在延迟了腈基团的环化反应，导致温度升高以达到稳定。

可熔融纺丝的 PAN 前驱体可以代替湿法、干法或干喷湿法纺丝，从而产生更高的纺丝速度并降低成本。据报道，水、碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯等添加剂可作为增塑剂来降低 PAN 的熔点。

研究了重丝束碳纤维对不饱和聚酯树脂CFRP的施胶效果。研究表明，施胶可以提高复合材料的纤维-基体界面强度、静态和疲劳性能。木质素是一种生物聚合物前体，用于制备低成本碳纤维，预计可降低成本高达 41%。然而，木质素衍生碳纤维的机械性能即使对于低端应用也不能令人满意。需要付出许多努力来改善它们的性能，例如，通过将木质素与其他聚合物（例如聚环氧乙烷或聚丙烯）混合。在制造低成本聚乙烯、沥青或沥青/聚乙烯共混物前体方面也进行了积极的研究。

沥青碳纤维用于需要高模量、导电性和导热性的应用。沥青纤维源自石油沥青和/或煤焦油沥青。通常，高软化点各向同性石油衍生沥青适合转化为中间相。当产生中间相时，中间相球粒开始在液体各向同性沥青内成核并生长。它们作为各向同性相内的相继续生长。在大约 60% 中间相时，发生相转化，中间相变成连续相，各向同性相成为内部的球体。通过中断中间相发展并溶解各向同性沥青，留下纳米级中间相珠和颗粒。这些可以被氧化、碳化和石墨化以熔纺成碳纤维。

与源自PAN的碳纤维相比，源自中间相沥青的碳纤维表现出高拉伸模量但低应变失效以及相对较低的拉伸强度。持田等人。在加热墙的设计中使用沥青碳纤维作为复合材料的填料。

由于其高导热性，Torchala 等人采用沥青碳纤维作为电子双层电容器的电极材料。在模量方面，Schnerch 等人研究了使用高模量CFRP来增强桥梁和天线塔中的钢材。他们观察到，高模量 CFRP 的刚度可以超过鳞片钢 25%。除了前体材料之外，人们还尝试通过降低稳定和碳化过程所需的时间和能量来降低碳纤维的加工成本，例如等离子体辅助稳定和碳化、微波辅助等离子体碳化和电子辅助碳化。