碳纤维的发展前景

摘 要：碳纤维复合材料是以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料，它问世于二十世纪四五十年代，经过近70年的发展，现在已经在各行各业成为了一种重要的新型材料。碳纤维按照原丝类型可以分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维等，由于结构上的差别，不同类型的碳纤维有着各自独特的优势，在航空航天、汽车、体育等领域有着良好的应用前景。

关键词：碳纤维；新型材料；树脂复合材料

中图分类号：TQ342 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）14-0227-02

1 碳纤维的发展历史及现状

碳纤维复合材料（CFRP）是以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料。碳纤维具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加工性，是新一代军民两用的增强纤维，其优异的综合性能是任何单一材料无与伦比的。

碳纤维复合材料问世于二十世纪四五十年代，最初是在美国制造的。1950年，在美国空军基地，第一个碳纤维复合材料首先在2000摄氏度的温度下通过拉丝获得，之后碳纤维复合材料进入高速发展阶段。1959年美国联合碳化物公司以粘胶纤维为原丝制成纤维素基CFRP，1969，日本东丽公司成功开发出高比强度、高比模量的碳纤维。碳纤维的生产一直以美国和日本为主导。

当前，全球碳纤维核心技术被牢牢掌控在少数发达国家手中。一方面，以美日为首的发达国家始终保持着对中国碳纤维行业严格的技术封锁；另一方面，国外碳纤维行业领先企业开始进入中国市场，中国本土碳纤维企业的压力大增。虽然中国加大了对碳纤维行业的引导和扶持力度，但在较大的技术差距下，国产碳纤维的突围之路仍然坎坷。

2 碳纤维的分类及生产工艺

碳纤维按照原丝类型可分为：聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维等。

聚丙烯腈基（PAN）碳纤维的生产工艺主要包括原丝生产、预氧化和原丝碳化三个过程。首先加工聚丙烯腈纤维，然后将这些原丝进行预氧化，接着进行碳化等工序制成碳纤维。由于聚丙烯腈碳纤维碳化收率较高，且得到的碳纤维产品性能优良，占据了碳纤维市场的95%以上。目前，生产高强、高模碳纤维的主要来源是PAN碳纤维。

沥青基碳纤维由于具有原材料丰富和成本低廉的优点，在民用碳纤维领域有着良好的发展前景，法国开发了具有高耐热性和高导电性的中间相沥青基碳纤维，波兰开发了一种金属包覆碳纤维新方法。沥青基碳纤维的生产能力在世界上是比较小的，国内沥青基碳纤维的研究和开发较早，但是，与国外相比，开发、生产和应用还存在较大差距。

粘胶基碳纤维是指以纤维素环状结构为主要构成的纤维经过碳化等步骤后得到的碳纤维材料，与聚丙烯腈基碳纖维不同的是，由于纤维本身具有环状结构，不需要进行预氧化，可以直接碳化。由于粘胶中还有大量的H、O原子，所以其理论收率仅为55%，实际产率则更低，且粘胶基纤维的强度较差，但是由于其优秀的瞬间耐烧蚀性能，可以用作火箭的内衬材料。

3 碳纤维的应用

3.1 航空航天领域

航空航天是碳纤维的传统市场，碳纤维复合材料在航空航天工业的数量近年来稳步增长，统计数据显示，在大型飞机上的应用碳纤维复合材料占15%-50%，军用飞机占30%-40%，小型商务飞机和直升机使用的机器已经达到70%-80%。

一些发达国家先后开发了广泛应用于卫星、战略导弹、火箭、飞机机翼的耐高温碳纤维复合材料等产品，碳纤维已成为战略航空航天和尖端武器不可缺少的基础材料。

大量应用碳纤维复合材料可以大大降低飞机的重量，降低燃油消耗，提高飞机的整体性能。波音787是目前使用碳纤维复合材料最多的机型，其升降舵、方向舵大量使用碳纤维夹芯结构，机身段、机尾翼大量使用碳纤维层合结构，碳纤维复合材料占其结构重量高达50%，这大大提高了飞机的燃油经济性，大大节省了飞机的运营成本。美国猛禽战斗机F—22和B2隐形轰炸机都已大量使用碳纤维复合材料，统计显示其碳纤维复合材料使用量均已超过整机重量的35%，极大地提高了飞机的速度和距离。

目前，中国的航空航天碳纤维复合材料体系已基本建立，一个相对完整的集设计、测试和复合材料应用的体系已经形成，这为中国的航空航天工业的发展提供了重要支撑。不仅如此，我国自行研制的碳纤维复合材料预制件性能已全面达到国外水平，它们制成的碳刹车盘已在国防重点军用飞机上大量部署，并在其他民用飞机上进行了试验。

3.2 汽车领域

轻量的碳纤维复合材料在新能源汽车和现有燃料汽车领域的应用都可降低油耗、减少排放，成为汽车材料发展的重点。在各国的支持下，各大碳纤维制造商和国外汽车巨头纷纷联手，发展汽车用碳纤维复合材料设计制造技术，已经形成“碳纤维复合材料供应商+零部件供应商+主机厂”的联盟式产业化布局。

目前，我国碳纤维复合材料在汽车工业方面中年用量还小，应用较为成熟的技术大部分集中在非连续纤维复合材料成型工艺上，尚未形成一条完整的产业链，同时在诸多技术方面与国外差距巨大，急需进一步技术攻关。

现在，制约碳纤维复合材料在汽车工业使用的最大障碍是碳纤维的成本，碳纤维在汽车上的应用如果也像在航空航天领域上一样成功的话，将带动碳纤维的飞速发展。

3.3 体育领域

体育领域是碳纤维复合材料的重要应用领域。碳纤维在该领域的应用主要集中在高尔夫球棒、钓鱼竿和球拍3个产品类型。这些产品主要利用的是碳纤维密度小、强度大的优异特性，近年来自行车、滑雪杆等新兴产品的碳纤维用量也在不断增长。

我国在20世纪80年代初开始研制碳纤维复合材料体育运动器材，体育器材每年的生产制造消耗碳纤维复合材料约五千吨，目前已与美国、日本和中国台湾并列为高尔夫球棒的主要产地。

参考文献

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