現(xiàn)在我們用光纖傳遞信息已經(jīng)習(xí)以為常，幾乎每家人家裝寬帶，自然而然的就想到裝光纖。但在并不遙遠(yuǎn)的過(guò)去，這簡(jiǎn)直是天方夜譚...
玻纖的應(yīng)用有很多年的歷史，應(yīng)用的領(lǐng)域也很多，但玻纖一直是作為增強(qiáng)材料使用。當(dāng)然玻璃是透明的，長(zhǎng)長(zhǎng)的玻纖絲，可不可以傳遞光呢？因?yàn)椴０艟涂梢詡鬟f光，比如牙科醫(yī)生用彎曲的玻璃棒來(lái)把燈光導(dǎo)入病人的口腔為手術(shù)照明。
如果是玻纖呢？玻纖細(xì)細(xì)長(zhǎng)長(zhǎng)，還非常軟，那樣不就可以隨意傳播了嗎？
1938年，美國(guó)Owens Illinois Glass公司與日本日東紡績(jī)公司終于可以生產(chǎn)玻璃長(zhǎng)纖維了。可這個(gè)時(shí)候生產(chǎn)的光纖是裸纖，光纖的傳播是利用全內(nèi)反射原理，全內(nèi)反射角由介質(zhì)的折射系數(shù)決定，裸纖會(huì)引起光泄漏，光甚至?xí)恼掣皆诠饫w上的油污泄漏出去。1951年，光物理學(xué)家Brian O’Brian提出了包層的概念。有了概念，就開始試驗(yàn)。有人試圖用人造黃油作為包層，但不實(shí)用。也有人也想到了蜂蠟和塑料，比人造黃油好多了，但仍然不實(shí)用。1956年，密歇根大學(xué)的一位學(xué)生制作了個(gè)玻璃包層光纖，他用一個(gè)折射率低的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。
這樣利用光的全內(nèi)反射作用，光纖就可以在玻璃纖維中傳播了。
隨著通信技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)的電信號(hào)傳播的方法有一定的限制，人們想到了光波。隨著臺(tái)激光器問(wèn)世，加之光纖的發(fā)明，工程師們將目光聚集在利用激光器加光纖的光纖通信方式。工程師們經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次試驗(yàn)，但發(fā)現(xiàn)大量的光被玻璃吸收，光在玻璃中會(huì)嚴(yán)重衰減，傳播損耗太大，光纖根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。
在無(wú)數(shù)次失敗之后，基本上所有人都放棄了。但仍然有一個(gè)年輕人相信，通過(guò)光纖傳遞光，繼而傳遞信號(hào)有希望。他花了很長(zhǎng)研究光與玻璃的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)光在玻璃中的衰減主要?dú)w于三大原因：玻璃分子的吸收與散射、玻璃分子結(jié)構(gòu)不規(guī)則的影響、玻璃中雜質(zhì)的吸收與散射。他認(rèn)為若能在制造玻璃的過(guò)程中去除雜質(zhì)，就有機(jī)會(huì)大幅改善光衰減，就能實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳播。1966年7月，高錕就光纖傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表了具有歷史意義的論文。該文分析了造成光纖傳輸損耗的主要原因，從理論上闡述了有可能把損耗降低到20dB／公里的見(jiàn)解，并提出這樣的光纖將可用于通信。
但這只是理論，如果驗(yàn)證，得需要工業(yè)界的的配合，但一個(gè)毛頭小伙子，提出這么一個(gè)大膽的理論，誰(shuí)信呢？于是，他滿跑，宣傳他的理論，找企業(yè)、找人配合他做。我估計(jì)，那時(shí)候他肯定像個(gè)唐僧一樣，逮到個(gè)機(jī)會(huì)，就絮絮叨叨的宣傳他的理論。
好在他也是名校出身，論文也在高級(jí)別的期刊的發(fā)表（幸好那時(shí)還沒(méi)有SCI因子，不然說(shuō)不定OVER呢）。他的論文漸漸的消除了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的疑慮，證明了光導(dǎo)纖維傳輸信息的可行性，很多人也就跟上來(lái)做研究了。隨后，工業(yè)界投入人力和財(cái)力，科學(xué)家、工程師全力以赴，開始根據(jù)他的理論對(duì)光纖通信進(jìn)行研發(fā)。幾年以后，美國(guó)康寧公司真的拉出了20dB/公里的光纖。康寧公司個(gè)實(shí)現(xiàn)了與理論一致的結(jié)果，并突破了他所提出的每公里衰減20分貝（20dB/km）關(guān)卡，證明光纖作為通信介質(zhì)的可能性。
在這基礎(chǔ)上，人們又進(jìn)一步進(jìn)行研究，通過(guò)光纖進(jìn)行光通信就成為了現(xiàn)實(shí)，而他也成了光纖之父，并獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。到這里大家一定猜到他是隨了，他就是高錕。
筆者數(shù)年以前在光纜行業(yè)瞎混過(guò)一段時(shí)間，雖然絕大多數(shù)在外圍，但也略做過(guò)一點(diǎn)研究。而且更早一些年，還做過(guò)玻纖改性。更重要的是光纖的重要性和特性留下了深深的烙印。
近一些年，筆者從事碳纖維及復(fù)合材料相關(guān)的工作，工作有一定的年頭了，成績(jī)談不上，但是還愿意多看些書，多動(dòng)點(diǎn)腦筋，多思考。
碳纖維（carbonfiber，簡(jiǎn)稱CF），是一種含碳量在90%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)，在沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。
碳纖維及微觀的結(jié)構(gòu).jpg)
注意碳纖維描述中的兩個(gè)關(guān)鍵詞：含碳量大于90%，亂層石墨烯結(jié)構(gòu)。但這是碳纖維的必然嗎？
如果雜質(zhì)太多，就會(huì)破壞碳纖維的結(jié)構(gòu)。試想，如果碳纖維的含碳量能做到99%以上，能達(dá)到99.9%或99.99%甚至以上？將會(huì)如何？
另外亂層石墨結(jié)構(gòu)是碳纖維繞不開的結(jié)構(gòu)？
如果雜質(zhì)太多，就會(huì)破壞碳纖維的結(jié)構(gòu)。姑且亂不亂層不說(shuō)，雜質(zhì)多了，連石墨烯的六邊形結(jié)構(gòu)可能都有缺失。
石墨烯關(guān)鍵在于其二維層狀結(jié)構(gòu)。如上圖所示，單層石墨烯是SP2雜化的六元環(huán)，在聊一聊神奇的碳中，講到了集中類型談的雜化形式，簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，SP2雜化的碳六元環(huán)類似的就是苯環(huán)，苯環(huán)形成的大π共軛鍵，使電子可以在整個(gè)苯環(huán)上離域，但苯環(huán)另外還有氫。而石墨烯的氫由碳替代，所以整個(gè)石墨烯結(jié)構(gòu)就是一個(gè)離域的共軛結(jié)構(gòu)，理論上電子可以在整個(gè)石墨烯網(wǎng)狀鏈上自由流動(dòng)。
理論中具有具備良好結(jié)構(gòu)碳纖維，在碳纖維纖維方向，具備良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。隨著技術(shù)的發(fā)展，做出純度很高的碳纖維，這樣會(huì)有更接近完美的性能。
隨著技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)我們可以進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)層面的設(shè)計(jì)，由亂層石墨烯結(jié)構(gòu)，做出錯(cuò)層石墨烯結(jié)構(gòu)的碳纖維，對(duì)性能將會(huì)有更好提升。
而且錯(cuò)層石墨烯結(jié)構(gòu)的碳纖維，將會(huì)可能有特別的驚喜......
以材料來(lái)判斷時(shí)代，石器時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代，現(xiàn)在呢，就是以硅為基礎(chǔ)的信息時(shí)代，那么下一步呢？會(huì)不會(huì)是碳時(shí)代？
English
簡(jiǎn)體中文
