碳基纤维材料因其出色的综合性能而在航空航天、军事和电子领域得到广泛应用。然而，由于其表面高度结晶化和化学惰性，传统的染色方法难以对其进行着色，从而限制了其在更广泛领域的应用。近年来，探索先进的微/纳米加工技术用于彩色碳基纤维材料的创制已成为一个日益增长的跨学科研究领域。武汉纺织大学徐卫林院士&陈凤翔教授团队详细讨论了碳基纤维材料的结构-颜色-功能关系，回顾了通过先进的微/纳米级制造策略制备彩色碳基纤维材料的最新进展，介绍了彩色碳基纤维材料在各个领域的新兴应用。最后，讨论了彩色碳基纤维及其复合材料的设计、大规模生产和应用可能面临的挑战和未来发展方向，旨在促进下一代创新系统的材料设计以及先进材料和相关工程领域的研究。该工作在SusMat上以题为“ Advances in Colored Carbon-based Fiber Materials and their Emerging Applications”在线发表（DOI: 10.1002/sus2.243）
01
碳基纤维结构
目前，碳纤维主要以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料，经纤维纺丝、热稳定(预氧化)、碳化和石墨化制备。这些过程引起一系列的化学变化，包括脱氢、环化、氧化和碳化。随着热处理温度的升高，CFs模量增大，微晶取向改善，形成微晶石墨结构。在这种结构中，有机纤维沿轴向交织，形成连接良好的堆叠碳纤维该区域的cf微晶结构由sp2杂化碳原子组成，x-y平面上存在域外π电子云，产生范德华力。这两种杂化轨道能级具有相似的特性，在很宽的范围内吸收可见光，导致碳纤维材料呈现超黑特性。而CNTFs是由一个或多个碳基纤维层组成的无缝纳米管结构，其中微晶石墨结构以一定的螺旋角围绕同一中心轴卷曲卷取的方向用手性向量C = na1 + ma2表示(a1和a2是石墨烯的基本向量)，碳纳米管也是被认为是最黑的材料。碳基纤维材料超黑属性难以满足人们对相关产品的多彩化和时尚化需求。
图1 PAN基碳纤维和碳纳米管纤维的结构
传统的染色技术是染料分子和基体通过离子键的形式作用于基体表面，利用染料分子对光的选择性吸收显示出不同的色彩。而碳基纤维材料因其独特的结构而导致其具有很少的表面活性基团和低表面能，也称为其表面的“化学惰性”。因此，传统的染色技术很难对碳基纤维进行着色。
02
结构色生色机制
物理色，也被称为结构色，是光与微纳米结构相互作用的产物。这些颜色可以归因于物质与光的微/纳米结构之间的相互作用，如衍射、干涉、散射、反射和折射。与化学色相比，结构色有几个优点，包括环保、耐褪色、增强亮度和饱和度。自然界中许多令人眼花缭乱的色彩都来自于结构色彩，这一现象有利于指导彩色碳基纤维的制备。
图2 自然界中结构生色现象及其机理
03
彩色碳纤维的制备
受自然界结构色的启发，研究人员探索了系列新的CFs颜色生成技术。他们分别采用低温水热法、喷涂、真空过滤、重力沉降、电泳沉积、电聚合、原位聚合、原位自生长、接枝、磁控溅射以及ALD等一系列先进的微纳加工技术在碳纤维表面设计并制备了具有光响应结构色的周期性结构。这些方法不仅解决了传统染色方法不能给碳基纤维染色的局限，而且使五颜六色的碳基纤维产品得以发展。因此，这篇文章综述了已报道的彩色碳基纤维的制备方法，并指出了每种方法的优缺点，旨在促进碳纤维及其最终产品的时尚化应用。
图3 彩色碳纤维发展的简要时间表
图4 彩色碳纤维的制备
04
彩色碳纳米管的制备
碳纳米管是碳基材料中最重要的成员，由于其优异的电学、光学和力学性能，被广泛应用于新兴的电子、航空航天和基础设施领域。它们也被认为是未来建造太空阶梯最有可能的材料之一。然而，碳纳米管的超黑特性无法满足人们对色彩的新需求，从而限制了其应用。因此，研究人员一直在努力探索在CNTs中诱导颜色的新方法和技术。为了阐明这一问题，我们全面综述了彩色碳纳米管制备新方法包括：手性结构(自我识别)，薄膜结构和PC结构，并评估了每种方法的优缺点。
图5 基于手性分离的彩色碳纳米管的制备
图6 基于薄膜干涉的的彩色碳纳米管的制备
05
彩色碳基纤维材料的应用
基于这些有色碳纤维材料的制备方法，研究人员对有色碳纤维材料在高端耗材、防伪、可穿戴电子等方面的应用进行了广泛的探索，并讨论了其潜在的未来应用。
图7 彩色碳基纤维材料的应用。
06
总结与展望
随着有色碳基纤维材料制备技术的快速发展和生产成本的不断降低，有色碳基纤维材料的应用范围从航空航天、军工不断扩大到更多的民用领域，包括基础设施、电子、半导体、汽车、能源装置、体育、纺织等。为了满足消费者对时尚和个性化产品的审美和愉悦需求，近年来研究人员在新型彩色碳基纤维材料的开发方面取得了相当大的成就，这为材料科学、光学工程和生物学等领域的创新和发展提供了新的机遇。因此，本文综述了近年来生物启发彩色碳基纤维材料的研究进展，包括先进的微纳米制造策略及其在可穿戴电子、防伪技术和高端产品等方面的新兴应用。
尽管在过去的几十年里，有色碳纤维材料的发展取得了显著的成就，但是，有色碳基纤维及其复合材料的最终应用需要的不仅仅是低成本的批量生产有色碳基纤维、先进的有色碳基纤维增强聚合物复合材料和基体树脂材料的制造技术。因此，开发高性能有色碳基纤维材料及其复合材料需要解决的重大挑战和障碍包括:(1)先进的低成本有色碳纤维材料微纳加工技术;(2)具有优异机械稳定性的有色碳纤维材料规模化制造技术;(3)新型透明树脂基质分子结构设计理论;(4)彩色碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料的先进制造技术;(5)有色碳纤维材料的产品生态。
07
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