新材料科学与进展

碳纤维材料

目录: 1.碳纤维的性能及优点

2.国内外碳纤维发展概况

3.碳纤维发展趋势、市场前景、目前还存在的问题

4.碳纤维的社会经济效益分析

【摘要】碳纤维作为高性能纤维的一种，具有碳材料的固有特性，又兼具纺织

纤维的柔软可加工性，抗腐蚀性强、韧性大、电磁性能好、电阻率高，主要用于体育器材、航空航天、风力发电、汽车、医疗器械等领域，应用较普遍的是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。

2010年全球碳纤维总用量约为3.1万吨，同比增长15%，行业人士预计今后将每年增长15%~20%。目前全世界只有少数企业掌握了碳纤维生产的核心技术，我国进口依赖率超过80%，但也预示着进口替代空间巨大。

【关键词】：

碳纤维、沥青基碳纤维、沥青碳纤维、可溶性中间相沥青碳纤维、聚丙烯腈碳纤维

【引言】：简要介绍碳纤维性能、特点、发展、应用等。

1.碳纤维的性能及优点

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000Mpa~43000Mpa亦高于钢。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。

碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。碳纤维具有高强度、高

模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成为最主要的品种。

碳纤维有如下的优良特性：①比重轻、密度小；②超高强力与模量；③纤维细而柔软；④耐磨、耐疲劳、减振吸能等物理机械性能优异；⑤耐酸、碱和盐腐蚀，可形成多孔、表面活性、吸附性强的活性碳纤维；⑥热膨胀系数小，导热率高，不出现蓄能和过热；高温下尺寸稳定性好，不燃，热分解温度800℃，极限氧指数55；⑦导电性、X射线透过性及电磁波遮蔽性良好；⑧具有润滑性，不沾润在熔融金属中，可使其复合材料磨损率降低；⑨生物相容性好，生理适应性强。

碳纤维力学性能主要是抗张强度、弹性模量和断裂伸长等3个参数，变异系数即CV值= 标准偏差/平均值×100(%) ，碳纤维的CV值是设计构建的一项重要指标，如果碳纤维的CV值较小，涉及碳纤维拉伸强度等利用率高，可充分发挥其增强效果。在使用碳纤维时，大多制造成复合材料的结构件。对于同一性能的结构件，碳纤维的CV值越小，用量少，增强效果好；如果CV值较大，用量较多，构件笨重，增强效果差。

(1)聚丙烯腈碳纤维

聚丙烯腈基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，在航空、航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域得到广泛的应用。[4]本文简要介绍了国内外PAN基碳纤维的发展历程和现状，PAN基碳纤维的制备、结构及性能及碳纤维的应用领域，详细介绍了PAN基碳纤维相关标准及检测，并对未来发展进行了展望。[1]

(2)沥青基碳纤维

沥青基碳纤维是指以沥青等富含稠环芳烃的物质为原料,通过聚合、纺丝、熔化、碳化处理制备的一类碳纤维,按其性能的差异又分为通用级沥青碳纤维和高性能沥青碳纤维,前者由各向同性沥青制备,又称各向同性沥青级碳纤维,后者由中间相沥青出发制备,故又称为中间相沥青级碳纤维。[6]

2.国内外碳纤维发展概况[3]

1959年日本人进藤昭男发明了用PAN原丝制取碳纤维的新方法，并申请了专利；

1962年，日本碳素公司获得专利实施权，月产能力为0.5吨;

1963年,英国皇家研究院的瓦特和约汉逊在预氧化和碳化过程中施加张力牵伸制得了高强度碳纤维,打通了制取高性能碳纤维的工艺流程并沿用至今.

1969年,日本碳素公司的PAN基高模量碳纤维商品化;

1969年召开的第十届碳素会议上,确高分子PAN基础碳纤维的主流地位,从此PAN基碳纤维象雨后春笋般地迅速发展起来.

1971年,东丽公司开始生产PAN基碳纤维(1吨/月),品牌为T300,M40,以后

性能不断提高.

1937年,东邦贝丝纶工业规模生产PAN基CF(0.5吨/月);

1982年,三菱人造丝引进美国Hitco公司PAN基CF技术；

1984年，日本东丽公司研制成功T800CF（δ=5.5GPa,E=295GPa,ε=1.8%;

1986年,台湾塑胶公司共(高雄)引进美国Hitco技术生产PAN基CF,并获得成功;

1994年,AKZO Nobel Fortafil公司大量生产大丝束碳纤维.

国外PAN基碳纤维的主要消费地是美国、西欧地区和日本。2002年上述国家和地区共消费PAN基碳纤维约12000t，其中美国消费量4600t，西欧地区消费量为5200t（一般工业应用2800t，航空航天1710t，体育器材690t）日本消费量约2200t。在2006～2011年，世界的碳纤维平均年需求增长率约为11.7％，高于平均年增长率的是西欧及亚洲的一些国家。[7]。

3.碳纤维发展趋势、市场前景、目前还存在的问题

3.1国外发展趋势

世界上聚丙烯腈基碳纤维的生产，现在已分化为以美国为代表的大丝束碳纤维和以日本为代表的小丝束两大类。日本和美国所产的碳纤维约占全球总供应量的80%[1]。日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司(东丽Toray、东邦Toho及三菱人造丝公司Mitsubishi)依靠其先进纺丝科学技术，形成高性能原丝生产的优势，大量生产高性能碳纤维，使日本成为碳纤维大国，无论质量还是数量上均处于世界前三位，占据了世界78%左右的产量。日本Toray公司是世界上最大的PAN基碳纤维厂商，2003年生产能力为7350t/a,其中在日本国内生产能力4700t/a,在美国拥有产能1800t/a,另外在法国与Atofia合资的Soficar产能为850t/a。公司以生产小丝束PAN基碳纤维为主,在日本国内大丝束PAN基碳纤维的产能仅为300t/a。东邦人造丝是第二大碳纤维生产商，其碳纤维的生产能力为5800t/a，全是小丝束品种。三菱人造丝在日本国内产能为2700t/a，在海外美国Grafil的产能为700t/a，2001年三菱人造丝率先将设备投资增加27.5%，达到190亿元，将本国的产能提高500t/a，再将美国子公司Grafil的产能增加800t/a，这样两地的总产能达到4700t/a。[2]

3.2国内发展趋势

我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，几乎与世界同步开始碳纤维研究工作。80年代开始研究高强型碳纤维，多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。已经研制出接近日本东丽公司T-300水平的碳纤维产品，但产量和品质都远不能满足国内需要，与国外相比差距甚大，国内PAN基碳纤维总生产能力仅600吨／年左右。(包括正在筹建厂)，实际生产量约仅为30~40吨／年。进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨／年原丝、200吨／年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平)，使我国碳纤维工业进入了产业化。随后，一些厂家相继加入碳纤维生产行列。据不完全统计，目前，我国已有12家生产规模大小不一(5～800吨/年)的PAN基碳纤维生产厂家，合计生产能力为1310吨／年。值得一提的是我国台湾省的台塑集团，在80代年中期从