碳纤维的生产和应用现状

何明

摘要：随着高新技术的发展和进步，促进了高性能纤维材料的研发，生产和应用，在各种新型功能型材料中，碳纤维以其强度大，质量轻，耐高温，抗辐射等优点深受人们的青睐，作为当今一种高新技术行业，碳纤维的生产和发展已经成为重要的研发课题。

关键词：碳纤维生产应用

前言：纤维增强复合材料大致分为两类：一是玻璃纤维复合材料，另一种是碳纤维复合材料，碳纤维比同等重量的其他材料具有更高的强度，它可直接用作耐高温、低伸长、高耐磨、以及导电性能的新材料，科技发展至今，碳纤维的应用领域与日俱增，除了广泛应用与航天航空等高科技技术领域外，还在文体用品、纺织、机械、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械、运输车辆、等方面。本文简单叙述碳纤维的发展历程以及应用现状。

1我国碳纤维的发展状况

我国对碳纤维材料的研制和生产始于20世纪70年代，经过多年的研制和发展，取得了一定的成绩，但是较国外水平还相差甚远，有很大的提升空间。

1.1我国生产碳纤维存在的主要问题

我国碳纤维虽然经历了一段时间的发展，但是与国外的技术水平还存在一定的差距，主要有一下几个方面。

1）原丝不仅影响碳纤维质量，而且影响碳纤维的产量和生产成本，只有高质量的原丝才能生产出高性能的碳纤维，如果原丝质量低劣，彼此性能差异较大，容易在碳化中产生毛丝缠结，甚至发生断丝现象，这样必然影响碳纤维质量，同时增加原丝消耗，一般质量稳定的原丝可节约成本50%-60%，而我国原丝质量与国外比还存在差距，由于国产碳纤维在生产过程中大部分采用民用腈纶原液，杂质含量较高，造成碳纤维性能不稳定，离散系数较大。因此，严重制约着我国碳纤维生产的成本和市场竞争力。

2）大部分碳纤维未经过表面处理，制成复合材料层间剪切强度偏低，没有经过表面处理的国产纤维不能用做高性能要求的先进复合材料增强体，也不能用于航天航空等国防重要用途。

3）除原丝质量外，生产规模也是一个不容忽视的问题，国外一条碳纤维生产线年产量在200T以上，而我国虽然引进了国外的生产线模式，实际产量并没有真正达标，所以尚未形成大的经济规模，加上价格太贵，成本组合不合理，国产碳纤维目前售价太高，远比国外进口的价格还要高，其中原因在于原丝费用约占成本的25%，二车间费用约占碳纤维成本的44%。

4）品种单一、规格单一、碳纤维来源大部分依赖于进口，根据行业，不同产品，不同零部件，不同需求，希望能采用不同类别、不同品种、不同规格的碳纤维，除了供结构材料使用的碳纤维，还希望有功能材料使用的碳纤维，而我国目前碳纤维品种还远远不够。

5）纤维拉伸强度缺陷，碳纤维是有有机PAN纤维经过一系列热处理转化而来的，碳纤维属于脆性材料，其最主要的拉伸强度等力学性能受控于纤维内部存在的缺陷。从一定意义上来说，提高碳纤维的拉伸强度等性能就是采取技术措施减少纤维内在缺陷数量和缺陷尺寸的过程。碳纤维缺陷的产生大致分两类：一类是先天性缺陷，由PAN原丝带给碳纤维；第二是后天性缺陷，在预氧化、碳化等一系列后处理过程中产生。从缺陷在碳纤维中所处的位置又可分为表面缺陷和内部缺陷，表面缺陷占总数的90%左右，产生原因大部分来自于PAN原丝的先天不足，其对纤维拉伸强度的影响要比内部缺陷大得多。

2碳纤维的各个领域的应用

碳纤维主要用作复合材料中增强材料，目前主要用于航空、航天、工业应用和体育用品三大类。

2.1航空航天方面的应用

由于碳纤维复合材料比强度，比模量高，不生锈等突出优点，已成为飞机、导弹、火箭、人造卫星、轮船等结构上不可缺少的基础材料。其中飞机主翼、水平、横尾翼、横梁、装饰材料用碳纤维材料可以大幅度降低飞机结构重量，改善飞机性能，减少燃料消耗等。

火箭发动机的绝热壳体的第三代材料均选用碳纤维复合材料。碳复合材料能耐1800℃以上的高温，有良好的耐燃，耐腐蚀性和抗热震能力，比强度高，热膨胀系数小，适合制作碰管喉衬，导弹载入端头等。

2.2碳纤维在工业中的应用

近几年来，由于国外碳纤维生产厂商不断扩大生产能力，碳纤维生产厂家之间的竞争加剧，再加上大丝束碳纤维的应用有所突破，碳纤维价格有了一定幅度的下跌，为碳纤维及其复合材料在汽车、电力、建筑、电子和化工等行业的应用创造较大的发展空间。

2.3汽车工业的应用

碳纤维在汽车车体和内外装饰中已经大量应用。汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车重量的以降低40%以上。据了解，汽车结构减重10%，可节省燃油7%。近年来，随着大丝束纤维、RTM等低成本型技术的发展，复合材料在汽车上的应用日益增多。

2.4电力行业的应用

碳纤维在风力发电机叶片上的应用也是一个热点。风力发电与传统的燃料发电相比是无污染的发电方式，是取之不尽的清洁能源，当前风力发电是能源领域增长最快的，远远超过太阳能和生物质能发电，每年大约以25%的增长率递增。由于风力发电单机发电容量越来越大，桨叶叶片尺寸越来越大，对叶片的强度和刚度要求也越来越高，于是叶片用复合材料纷纷由玻璃纤维转向碳纤维。中国目前能源相当紧张，大力发展风力发电是当务之急。

2.5化学工业的应用

在化学工业中，碳纤维及其复合材料主要用于耐腐蚀设备、压力容器、搅拌器和密封材料等。此外，碳纤维在冶金、石油、机械、纺织等工业领域的应用也非常广泛。

2.6碳纤维在体育用品中的应用

碳纤维在体育用品的应用主要是高尔夫球棒、钓鱼竿、网球拍和自行车轮轴等方面。由于炭纤维轻量化，耐疲劳，耐磨，耐腐蚀，使其很适合应用于体育用品中。目前，全世界的高尔夫球产地主要是美国、中国、日本和中国台湾，其中美国和日本占到80%。

3碳纤维材料的发展趋势

碳纤维材料的应用不仅仅局限于航空航天等尖端领域，而应实现大规模工业化应用。因此，降低成本成为碳纤维发展的主体，而成本问题也是制约我国碳纤维产量的和发展的重要因素。近年来，国内外企业对碳纤维也在致力于开发研究提高性能、降低成本方面。随着碳纤维生产能力的提高和增强，大量废弃碳纤维彩礼回收处理问题也亟待解决。

结束语：

为全面掌握碳纤维生产技术的核心科技，我国应进一步研究未来碳纤维产品的高性能化，保持民用、工业用量的增长趋势。同时把握国际上带来的发展机遇，将我国碳纤维产业链逐步完善并走向国际化，把握庞大的内需市场，以及成熟的国际化市场，相信碳纤维产业发展有着广阔的前景。

参考文献：

【1】周传雷艾辉闫永军碳纤维产业现状及发展前景【j】化学工程师2010（8）42-43

【2】周嵩林国内碳纤维材料生产现状沪天化科技2011年第3期222

【3】金立国我国碳纤维工业现状和碳纤维应用合成纤维2009.10