碳纤维培训

1．定义碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。

其中含碳量高于99％的称石墨纤维。

它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。

碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。

但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。

因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。

1971年，TORAY成了世界上第一人制造商，从事PAN基碳纤维的人型工业化生产，并将其产品命名为“TORAYCA”，是TORAY碳纤维的缩写。

目前，TORAY是全球生产和营销碳纤维的领导者。

对于碳纤维的生产工艺，当生产PAN基碳纤维的时候，被称为“母体”的聚丙烯腈纤维首先要通过聚合和纺纱工艺加工聚丙烯腈而成。

然后，将这些母体放入氧化炉中在200到300摄氏度进行氧化。

另外，还要在碳化炉中，在温度为1000到2000摄氏度间进行碳化制成碳纤维。

除了常规类型的细碳纤维之外，PAN基碳纤维还包括粗纤维，被称为“人丝束类型碳纤维”，这种粗纤维的生产成本比较低。

2．碳纤维的产品形式及制造工艺碳纤维有四种产品形式：纤维，布料，预浸料坯，和切短纤维。

布料指的是由碳纤维制成的织品。

预浸料坯是一种产品，是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料刚树脂浸泡使其转化成片状。

切短纤维指的是短丝。

按照不同的配比，这些产品和树脂一起应用将形成碳纤维强化塑料(CFRP)。

将树脂附在纤维上可以制成压力容器和轧滚，将它们缠绕在一个芯儿上，然后进行塑化或硬化处理。

这种方法被称为“缠绕成型法”。

将布料放入一个模型中，然后刚树脂浸泡，可以川米生产卡=乍和划艇的车身部分。

这就是所说的“树脂转注成型法(RTM)”。

飞机元件的制造是通过在高压釜中给预浸料坯加热，加压和塑化成型而成的。

将预浸料坯缠绕在一个芯儿上，然后将其加热和塑化，这就是所说的“薄片缠绕法”，用这种方法可以用来制成高尔夫球棒利钓鱼杆。

短丝与树脂混合可以形成混合物，经过加工后可以生产山机器元件和其它产品。

过去，预浸坯料是应用最广泛的碳纤维形式，通过在反应釜内利用薄片缠绕法预制而成。

然而，近来，随着新的工业应用的开发，纤维缠绕成型法，混合物和其他的预制方法得到了更加广泛的发展。

像RTM这样的成型法的应用，使得制造商可以更加有效地制成大型产品。

碳纤维与最合适的树脂及预制工艺的结合使得碳纤维的应用更加具有吸引力。

3．主要的种类碳纤维的分类有许多方法，可依原料、性能、形态来进行分类。

若依原料可分为聚丙烯腈（Polyacrylonitrile）系碳纤维；沥青（Pitch）系碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维。

其中聚丙烯（Polyacrylonitrile）系碳纤维具有高强度、高弹性率的性质，在航空器材、体育、休闲娱乐等领域大范围使用。

沥青（Pitch）系碳纤维具有的高弹性模量、高导热性等特性是聚丙烯腈系碳纤维所达不到的，通常以长纤维形态被利用。

由于沥青系碳纤维为高模量级纤维，比弹性模量显著优良，故适合于支配刚性结构物轻量化并赋予其结构刚性。

另外，沥青系碳纤维具有高导热性、低电阻、低热线性膨胀率及化学稳定性好等特性。

按力学性能分为通用型和高性能型。

通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。

高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。

强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。

随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2％。

K数指的是碳纤维束里面单丝的根数,碳纤维单丝的直径是一样的,K数越大,每股的单丝数就越高.K其实就是千的英文缩写.1K的碳纤维丝含有1000根单丝.同理,3K就是3000根.碳纤维的K数目前有1K,3K,6K,12K,24K,48K这几种.1K的碳丝目前市场价是最贵的,因为制作工艺很麻烦.K数的大小跟电阻有关系,K数越大电阻越小,用在发热上面的话,电阻越小,同等长度的电热线发热量越大,功率越大,要是用在加固上的话,也是K数越大,强度越高了.而我们一般意义上说的抗拉强度都是指的单丝的抗拉强度.那个是跟碳纤维丝的型号有关,比如说T200，T300,T700等等,型号越高,抗拉强度越高,T300抗拉强度应达到3.5Gpa,T700抗拉应达到4.9Gpa,这是一个国际通用的指标,T300可以包括1K、3K、6k、12k、24k，T700这个规格的碳丝目前一般只有12K的.碳丝型号一样的话,12K总根数多,它当然就比3K的抗拉.同样K数的,T700>T300>T200. 通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K、60K、120K、360K和480K等。

4．应用碳纤维通常不会被单独使用，按照不同的配比，碳纤维产品与环氧树脂等合成树脂基材料，形成碳纤维强化塑料。

目前它主要应用于三大部分：航天航空、体育运动器械（高尔夫球槽、球拍、雪橇、滑雪板、曲棍球棒、钓鱼竿和自行车)）和工业，分别占需求量的比例为20%、30%、50%。

在高速工业化的背景下，碳纤维开始深入应用到工业领域的核心，替代金属和混凝土材料等来满足环保、安全、节能要求。

在土木工程和建筑领域，碳纤维在抗震修补和增强措施中使用。

在高速公路建设中，采用碳纤维增强材料给高速公路“强筋健体”。

在深海勘探、风力发电、机器部件、医疗器械、家用电器及半导体相关设备等都需要用碳纤维复合材料来增加强度、防静电、电磁波。

随着碳纤维成本的降低和世界范围内对环保要求的提高，碳纤维已开始被应用于汽车领域用做车身以及刹车片、传动轴和燃料箱材料及环保汽车用的压缩天然气气瓶等，使汽车的安全性实现飞跃。

由此可见，当前世界碳纤维有如下发展趋势：产品性能趋向于高性能化；价格将大幅度降低；航天航空和文体用品领域用量稳定增加，民用工业用量增幅较大，已超过前两者。

特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，其价格将不断降低，民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋势。

日本(碳纤维产量占世界总产量的75%)东邦特纳克斯公司的专家分析说，随着航空航天、体育休闲和工业应用对碳纤维的需求大幅度增加，全球碳纤维市场正以平均每年两位数的速度快速增长。

预计2010年全球碳纤维需求量则达到30000吨／年，我国2009年的碳纤维需求就将达到7500吨／年，而从2005年开始，全球碳纤维的供给与需求出现了紧张局面。

附：应用的发展举例体育应用中的三项重要应用为高尔夫球棒，钓鱼杆和网球拍框架。

目前，据估计每年的高尔大球棒的产量为3400万。

按照《国家利地区分类，这些高尔大球棒主要产地为美国，中国，日本和中国台北，美国和日本是高尔夫球棒的主要消费地占80％以上。

全世界40％的碳纤维高尔大球椿都是由TORAY的碳纤维制成的。

全世界碳纤维钓鱼杆的产量人约为每年2000万副，这就意味着这种应用对碳纤维有着稳定的需求。

网球拍框架的市场容量人约为每年600万副。

其它的体育项目应用还包括冰球棍，滑雪杖，射箭，和自行车，同时，碳纤维还应用在划船，赛艇，冲浪，和其它的海洋运动项目中。

在1992年问，航空应川中对碳纤维的需求开始有所减少，主要是受到了商业飞机业衰退的影响，但是在1995早期有得到了迅速的恢复。

恢复的主要原因是由于生产效率在整体上都得到了提升，同时也开始全力生产波音777飞机，TORAY的碳纤维被用做结构材料，包括水平和垂直的横尾翼和横梁，这两部分结构是如此的重要，如果他们受损，那么整个飞机在飞行的过程中就可能坠毁。

这些材料被称为“首要的结构材料”，因为他们是如此的重要，所以对他们的质量要求是极其苛刻的。

对于波音777飞机，TORAY是波音公司指定的唯一有资格的碳纤维制造商。

欧洲空客也在他们的飞机上使用了大量的碳纤维，TORAY的TORAYCA碳纤维有望将被大量地应用在他们的新型客机A380上。

在工业领域，碳纤维的应用也相当广泛，作为材料，它们正在替代金属和混凝土来满足环境、安全和能源要求，在工业领域对碳纤维的需求量正在呈现上升趋势。

在土木工程和建筑领域，应用碳纤维的抗震修复和加强法是一项主要突破，正在此领域得剑更加广泛的推广。

在铁路建筑中，大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用，这些也将是很有前景的应用。

压力容器主要用在汽车的受压大然气(CNG)箱上，如图所示，还用在救火队员的固定式呼吸器(SCBA)上。

CNG罐源于美国和欧洲国家，现在日本和其他的亚洲国家也对这项应用表现山了极大的兴趣。

碳纤维的其它应川包括机器元件、家用电器、微机、及与半导体相关的设备的复合材料的生产，可以用来起剑加强，防静电，和电磁波防护的作用，另外，在X射线仪器市场上，碳纤维的应用可以减少人体住X射线下的暴露。

随着碳纤维成本的连续降低，和世界范同内的环保要求的提高，碳纤维开始被应用于汽车领域，将来它们会被应用做尾部沸腾器，发动机，传动轴和燃料箱材料，在未来将有很好的前景。

5．国外工厂介绍世界各国发展的主要是PAN 基碳纤维和沥青基碳纤维。

世界PAN 基碳纤维生产厂商主要有日本Toray（东丽）、Toho（东邦）、Mitsubishi Rayon（三菱人造丝），美国Hexcel（赫克塞尔）、Amoco（阿莫科）和Zoltek（卓尔泰克）等公司。

沥青基碳纤维主要生产厂商有日本Mitsubishi Chem（三菱化学）、Kureha （吴羽）、Donac与美国Amoco 公司。

在小丝束碳纤维（3 K ，6 K 和12 K ）方面，Toray、Toho与Mitsubishi Rayon等3家公司已形成垄断，其产能分别达到9 100、5 600和4 700 t / a，占世界总产能的31.6 %、19.5 %和16.3 %。

大丝束碳纤维的主要生产国是美国、德国与日本，其产量大约是小丝束碳纤维产量的33 % 左右。

我国碳纤维虽然经过了一段时期的发展，但是与国外的技术水平还存在一定的差距和一些在竞争中不容忽视的问题，主要有以下几个方面。

1）原丝质量与国外比还存在差距。

由于国产碳原丝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。

2）大部分国产碳纤维未经过表面处理，制成复合材料层间剪切强度偏低［1］。

没有经过表面处理的国产碳纤维不能用作高性能要求的先进复合材料增强体，也不能在航空、航天等国防部门中用来制作主承力构件。