碳基纤维材料因其出色的综合性能而被广泛应用于航空航天、军事和电子领域。然而，其表面的高度结晶性和化学惰性阻碍了传统染色方法对此类材料进行着色，从而限制了其在更广泛领域的应用。近年来，探索彩色碳基纤维材料的先进微/纳米加工技术已成为一个不断发展的跨学科研究领域。
因此，本综述
，武汉纺织大学徐卫林 教授团队、Fengxiang Chen等研究人员在《SusMat》期刊
发表名为“Advances in colored carbon-based fiber materials and their emerging applications”的论文，
全面讨论了碳基纤维材料的结构-颜色-功能关系。文章讨论了碳基纤维材料的结构及其特性，这些特性导致传统染色方法难以着色。
此外，还介绍了生物体因基本光学现象（包括薄/多层膜干涉、衍射光栅、散射和光子晶体）而显示结构色的颜色生成机制。此外，还回顾了通过先进的微米/纳米级制造策略制备的生物吸附彩色碳基纤维材料的最新进展。此外，还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材料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。
2.1 碳基纤维结构
具有微晶石墨结构的 CFs/CNTFs 具有各种优异的性能，例如高比拉伸模量和强度、良好的导电性和导热性、耐高温和耐腐蚀性、低密度和抗蠕变性。由于这些特性，CFs/CNTF 已广泛用于高端应用，如导弹、飞机和汽车，以及民用应用，如纺织品和体育用品。虽然碳基纤维材料的结构是其优异性能的原因，但它也限制了传统染色技术对它们的颜色产生。目前，碳基纤维材料及其产品几乎都是超黑的，难以满足消费者需求，从而大大阻碍了其广泛应用，尤其是在汽车和高端运动产品领域。最终产品是超黑的，原因如下。首先，碳基纤维材料几乎吸收了所有可见光，从而产生非常深的黑色。其次，碳基纤维材料表面的化学惰性阻碍了使用传统染色方法进行着色。
对于材料，结构决定属性。为了更好地分析碳基纤维难以染色的原因，在这部分，我们重点分析碳基纤维的结构。
2.1 颜色生成机制
颜色是由光产生的，但光没有颜色，颜色只是一定的频率或电磁波的混合物。事实上，颜色只是光线进入眼睛导致视网膜中感光细胞膜发生化学变化的结果，产生电信号，这些电信号由视神经传输到大脑的视觉中枢，在那里由大脑翻译。大自然所呈现的颜色是其自身物质与光相互作用的结果。根据它与光的作用机理不同，颜色可分为化学（或颜料）色和结构色。
颜料是选择性吸收或反射特定波长光的物质，通常由有机分子和离子组成。当白光照射在物质上时，特定波长的光被吸收，其他波长的光被反射掉，这使我们能够感知物质的化学颜色。从本质上讲，颜料的颜色来自分子轨道之间的电子跃迁，光的吸收和反射不是定向的。因此，从各个方向观察的颜料颜色是一致的，不会随着观察角度的变化而变化。
2.3 有色CFS的制备
受自然界中结构色的启发，研究人员探索了新的 CFs 颜色生成技术。图 3 显示了这些制备彩色 CF 的方法的简要发展时间表。他们通过一系列先进的微/纳米加工技术设计和制造了 CFs 周期性结构，包括低温水热法、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、接枝、磁控溅射和 ALD，以获得具有光响应结构颜色的纤维。这些设计策略不仅解决了传统染色方法无法对 CF 进行着色的局限性，而且还允许开发彩色 CF 和含 CF 的产品。因此，本文回顾了几乎所有已报道的制备彩色 CF 的方法，并指出了每种方法的优缺点，以促进 CFs 及其最终产品的美化和应用。
图3、彩色碳纤维发展的简要时间表。
2.4 有色CNT的制备
碳纳米管是碳基材料中最重要的成员，由于其优异的电气、光学和机械性能，被广泛用于新兴的电子、航空航天和基础设施领域。它们也被认为是未来太空梯子建造最有可能的材料之一。然而，碳纳米管的类似石墨的结构导致它们具有单一的超黑色，无法满足对色彩的需求，从而限制了它们的日常应用。因此，研究人员努力探索在 CNT 中诱导颜色的新方法和技术。为了阐明这个问题，我们全面回顾了有关制备彩色CNT的文献。由于缺乏明确的制备方法，研究人员采用了各种方法。因此，作者介绍了相应的 CNT 颜色生成机制，并评估了每种方法的优缺点。
图4、有色碳纳米管 （CNT） 的制备
2.5 彩色碳基纤维材料的应用
基于这些彩色碳基纤维材料的制备方法，研究人员对彩色碳基纤维材料的应用进行了广泛的探索，特别是在高端用品、防伪和可穿戴电子产品中的应用。本节简要总结了彩色碳基纤维材料的三个主要应用（图5），并根据所使用的制备方法讨论了它们潜在的未来应用。
图5、彩色碳基纤维材料的应用。
随着彩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，彩色碳基纤维材料的应用范围不断扩大，从航空航天、军工领域扩展到更多的民用领域，包括基础设施、电子、半导体、汽车、能源设备、体育和纺织品等。为了满足消费者对时尚和个性化产品的审美和愉悦需求，近年来研究人员在开发新型彩色碳基纤维材料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，在这项工作中，我们总结了生物吸附彩色碳基纤维材料的最新进展，包括先进的微米/纳米级制造策略及其在可穿戴电子产品、防伪技术和高端产品等方面的新兴应用。
综上所述，虽然在过去几十年中，彩色碳基纤维材料的发展取得了重大成就，但彩色碳基纤维及其复合材料的最终应用不仅需要低成本大规模生产彩色碳基纤维，还需要先进的彩色碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料和基体树脂材料的制造技术。因此，开发高性能彩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）先进的彩色碳基纤维材料低成本微/纳米加工技术；（2）具有优异力学稳定性的彩色碳基纤维材料大规模制造技术；（3）透明树脂基体的新型分子结构设计理论；（4）彩色 CFRP 复合材料的先进制造技术；（5）彩色碳基纤维材料的产品生态学。
首先，颜色的产生机理是彩色碳基纤维材料领域关键的基础科学问题，因为它决定了后续应用、设计和最终性能的进步。迄今为止，彩色碳基纤维的实现更多地依赖于由薄/多层膜干涉、衍射光栅、散射和 PC 等衍生出来的精密微纳加工设备，这在一定程度上限制了彩色碳基纤维的应用。生物体内一系列结构颜色的突破性发现，为彩色碳基纤维的进一步发展提供了新的机遇。众所周知，在数百万年的生物进化过程中，自然界已经优化出一系列具有相当神秘特性的精细复杂结构表面。令人惊奇的是，这些精细复杂的结构不仅不会被严酷的自然条件所破坏，而且还能代代相传，继续进化，但这些材料和表面大多尚未被人类发现，更不用说对天然结构色彩及其生物功能的了解了。通过深入了解生物体内这些生物行为背后的结构-性质关系，可以揭示相关的 “生物密码”，包括着色相关生物功能的内涵，从而指导科学家利用自然界之外的多学科手段，设计开发出更先进、成本更低的具有多样化功能的彩色碳基纤维加工制备技术，以实现更多的商业应用。
其次，具有优异机械稳定性的彩色碳基纤维材料的大规模制备技术在实际应用中仍面临挑战。目前制备彩色碳纤维的微纳米技术主要包括低温水热法、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、ALD 等。其中一些技术仍属于 “卡脖子 ”技术，而另一些技术则对碳基纤维材料提出了更高的要求，包括优异的导电性、更高的活性表面等。在所有报道的方法中，胶体粒子自组装被认为是最有可能大规模制备彩色碳基纤维的方法，但在合成胶体粒子的过程中，需要精确控制胶体粒子的组成、大小、形态等参数。当胶体粒子组装到碳基纤维表面时，需要在微米/纳米尺度上实现胶体粒子的精确调节和均匀组装。此外，颜色均匀性、光学稳定性和机械稳定性也需要进一步提高。更糟糕的是，大规模制备方法和机械稳定性是彩色碳基纤维一对不可调和的矛盾，尤其是在目前的研究阶段。上述问题极大地限制了彩色碳基纤维的发展，也进一步影响了其商业化应用。因此，迫切需要包括仿生学、材料学、光学、物理学、化学、纳米科学、数学和工程学在内的多学科研究，开发出绿色、高效、简便、低成本的大规模结构彩色通用性制备新技术，并加速实验室产品向市场的广泛应用。
此外，通过设计新颖的分子结构来开发透明树脂基体也是非常必要的。在 CFRP 复合材料领域，CFRP 复合材料的性能很大程度上取决于树脂基体的交联结构和性能。然而，紫外线、高温等环境因素实际上会使环氧树脂更容易变黄，从而在一定程度上掩盖了彩色 CF 的颜色，影响彩色 CF 复合材料的最终视觉效果。一般来说，成熟的环氧树脂产品需要经过反复多次的实验才能获得理想的实验参数和条件，在实验操作过程中费时费力，甚至不可控。因此，在材料基因组学的指导下，利用分子模拟技术，建立彩色 CF 全专用树脂分子结构设计基础数据库，开发适合各种固化工艺的系列树脂体系（包括环氧树脂、双马树脂、异氰酸酯树脂等），并在此基础上建立彩色 CF 全专用树脂的分子结构设计模型，对彩色 CF 全专用树脂的分子结构设计至关重要。开发适合高温、中温、常温等多种固化工艺的系列树脂体系，获得低成本、高性能、宽工艺窗口的特种树脂基体，为航空航天特种树脂产品造型提供支撑，甚至探索出一系列新型树脂材料增强和增韧方法和技术，旨在为彩色 CFRP 复合材料提供重要的技术支撑和保障，扩大其应用范围，在独特的应用场景中取得良好的响应。
此外，提高彩色 CFRP 复合材料的综合性能还需要先进的制造技术。在所有商用复合材料中，CFRP 复合材料是一种结构与功能一体化的材料，具有优异的力学性能。CFRP 具有轻质、高强、高模量、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强、结构和尺寸稳定性好、可大面积整体成型等特点，已广泛应用于国防军工领域。受限于 CFs 本身的高成本和现有 CFRP 复合材料制造工艺的低效率，虽然 CFRP 复合材料早已应用于航空、航天等尖端领域，但更大规模的应用亟待开发，而单调的黑色特性无法满足人们对产品多彩、时尚的需求，尤其是在汽车和高端运动休闲产品行业。事实上，彩色 CFRP 复合材料具有更广阔的产业发展潜力，这意味着先进的彩色 CFRP 复合材料制造技术亟待革新和发展。为满足新兴多元产业的复杂需求，必须突破提高抗压强度和多功能集成的先进制造关键技术，建立理论计算与实验验证相结合的高性能彩色 CFRP 复合材料方法学。因此，开发具有多功能一体化特征的彩色 CFRP 复合材料，不仅能显著提高国防军事装备的生存、穿透、防伪、隐身等能力，还能为基于 CF 的高端轻量化汽车和高端运动休闲产品提供多种色彩和时尚需求。
最后，彩色 CFRP 复合材料的产品生态有望得到改善。市场需求可以极大地促进产业升级和技术创新。随着环保理念的进一步推广，彩色 CFRP 相关产品受到越来越多消费者的青睐。因此，完善产品生态迫在眉睫，这将提供新的需求导向，反哺技术创新，进而加快产业升级步伐。
虽然目前彩色 CFRP 复合材料的研究和应用还处于初级阶段，但我们相信，随着基础科学和先进制造技术的不断发展，彩色 CFRP 复合材料必将取得关键性突破，未来在先进材料和相关工程领域的应用范围将大幅拓展。毋庸置疑，彩色 CFRP 复合材料将带来光明的未来。
