碳纤维的应用领域及前景

碳纤维的应用领域及前景 carbon fibre application

作者(writer)：杨成刚 Gang chengyang

摘要（Abrtrant）：

1 碳纤维的成分结构

2 碳纤维的应用领域

3 碳纤维的发展前景

关键词（Keywords）

乱层石墨复合材料关键材料军工业民用行业潜力极大

正文（Text）

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，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230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。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。综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。碳纤维编织布

碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。碳纤维

1994年至2002年左右，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。现在国内已经有使用长纤碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处。同时，碳纤维发热产品，碳纤维采暖产品，碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭。碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。以前，以美国为首的巴黎统筹委员会(COCOM)，对当时的社会主义国家实行禁运封锁政策，1994年3月，COCOM虽然已解散，但禁运封锁的阴影仍笼罩在上空，先进的碳纤维技术仍引不进来，特别是高性能PAN基原丝技术，即使我国进入WTO，形势也不会发生大的变化。因此，除了国人继续自力更生发展碳纤维工业外，别无其它选择。因此，国外尤其是碳纤维生产技术领先的日韩等国对中国的碳纤维材料及制品的出口一直保持相当谨慎的态度，只有为数很少的中国企业能够与其建立合作关系，拥有其产品的进口渠道。碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天等领域。

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在人们印象中，碳纤维更多地与航空航天、军工产品及国防建设联系在一起，由于投资门槛高、技术难度大，特别是日本东丽 30 年"修得正果"的经历，一度让技术与资金均相对薄弱的中国化纤企业望而却步，导致了中国碳纤维长期严重依赖进口的状况。然而， 2004 年以来国际市场上出现以碳纤维为代表的高性能纤维供不应求的局面，已不仅仅影响到我国

航空航天、军工及国防事业的建设，而且使国内正在兴起的体育用品、风力发电、大型客机等民用行业的发展受到严重制约，迫使我国加大对碳纤维等主要高性能纤维自主研发的投入，从而出现了开发碳纤维等高性能纤维的热潮，并已取得阶段性成果。目前，我国碳纤维产业化已进入第二轮发展阶段，由于第一阶段的技术与人才的储备，以及目前国家政策的大力支持，使打破日、美等发达国家的技术垄断，实现碳纤维国产化，不再是遥不可及的神话。由军工向民用领域延伸中国化纤工业协会理事长郑植艺就"碳纤维热源自民用还是军工"这一问题接受记者采访时特别指出："不可否认，军用领域对碳纤维国产化的需求相当紧迫，但从目前发展趋势看，我国加快碳纤维国产化进程在更大程度上是来自民用需求的强劲拉动。" 记者在采访中了解到，碳纤维主要用于和树脂、金属、陶瓷及碳素等基体复合制作结构材料。由于这种复合材料具有耐高温、抗腐蚀以及较好的抗热冲击性和化学稳定性的优点，而且热膨胀系数低，轻质、难熔，因此，成为现代军工产品理想的基础性材料。这种高性能的军工产品原材料，价格昂贵，在民用领域堪称"奢侈品"。然而，正是这种奢侈品，在人们对生活质量要求越来越高的今天，被广泛应用到了民用产品的生产领域。全国特种合成纤维信息中心主任罗益锋对记者说："碳纤维复合材料可用来制造航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料，另外还大量用于高超音速飞机刹车片的生产，可制作发热元件和机械紧固件、涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。 20 世纪 90 年代后，碳纤维复合材料的应用开始由军工领域向民用领域渗透，汽车、民用客机、建筑、桥梁及文体用品的生产开始使用碳纤维复合材料。特别是"十一五"期间，我国将批量生产大型客机和大型船舶，必将进一步促进碳纤维、高强高模纤维及复合材料的快速发展和国产化进程。" 中国化纤工业协会副理事长叶永茂深感加快碳纤维国产化的紧迫性，他谈到，由于碳纤维的市场需求特别是民用市场的需求迅速增长，不断驱动碳纤维研发快速升温，而在目前我国碳纤维产业化还未达到成熟阶段的时候，日、美等发达国家从技术到产品对我国采取的是封锁和限制的态度，因而迫使我们必须依靠自己的力量在短期内实现碳纤维国产化的有效突破。这一点已引起国家的高度重视，因此，碳纤维被列入"十一五"我国化纤高新技术纤维发展的重点，并已得到了国债项目等相关政策的大力支持。叶永茂告诉记者，目前，碳纤维的市场需求在北美、欧洲、亚洲基本上形成鼎足之势，应用领域也已覆盖了宇航及军工、文体休闲用品、其他工业等领域，总体消费比例分别为 25.2%、 31.4% 和 43.4%，不同地区各有侧重。民用市场发展潜力巨大据记者了解，在文体用品方面，目前碳纤维材料已从钓鱼杆和高尔夫球杆推广到网球拍、羽毛球拍、冰雪运动器材、水上运动器材等多方面，需求量稳步、较快增长，其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼杆是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品，约占该类产品的 80%。一般产业对碳纤维材料的应用增长得比较迅速，包括基础设施的修复、更新和加固，沿海油气田、深海油田的钻井平台、管道和缆绳等新能源项目开发，以及风力发电机的螺旋桨和风叶，汽车的刹车系统、转动轴、车身以及环保汽车用的压缩天然气瓶，通信、广播、地球观测、空间探测以及各种飞行器的高精度天线等电子领域的应用。"由此可见，较快增长的一般产业需求将成为碳纤维新的主要应用领域。"专家们对此已有共识。近几年来，国外著名企业纷纷来我国建立碳纤维复合制品企业，从国外进口碳纤维用于生产下游产品，在很大程度上促进了我国碳纤维市场的开发，使碳纤维市场需求量迅猛上升。例如，目前在我国建立的合资或外商独资碳纤维体育用品厂家已有 60 余家，钓鱼杆生产企业则达到了 50 余家。尽管国内 PAN 基碳纤维材料加工业已初具规模，具备了一定的技术基础和市场开发能力，市场需求比较旺盛，但目前碳纤维的生产远远不能满足市场需求，仍需大量进口。此外，考虑到我国碳纤维的应用还在不断发展，许多用途还有待开发，如碳纤维在工程修补增强方面、飞机和汽车刹车片、汽车和其他机械零部件的应用以及电子设备套壳、集装箱、医疗器械、深海勘探和新能源的开发等方面，都将成为我国碳纤维未来潜在消费市场，对碳纤维的需求量将不断加大。因此，多位专家在接受记者采访时都作了这样一个断言："未来我国碳纤维