国产碳纤维与东丽碳纤维的性能
国产12K T700级碳纤维在复合芯导线中的替代应用研究
ＦＲＰ / ＣＭ ２０１８������ Ｎｏ������ ７
７０
国产 １２Ｋ Ｔ７００ 级碳纤维在复合芯导线中的替代应用研究
２ 试 验 ２������ １ 实验材料
试验选用三种国产 １２Ｋ Ｔ７００ 级碳纤维ꎬ分别将 其编号为 ＣＦ１、ＣＦ２ 和 ＣＦ３ꎮ 上浆量为 １������ ０％ ~ １������ ５％ꎮ
采用拉挤工艺将碳纤维制备成复合芯棒ꎬ所用 树脂为国产常熟佳发化学有限责任公司生产的 ＪＥｈ￣ ０１２ 改性多元缩水甘油胺耐高温环氧树脂和改性四 氢苯酐固化剂ꎬ促进剂为上海理亿科技发展有限公 司生产的 ＬＭＹ￣２４０４ 改性液态咪唑促进剂ꎬ脱模剂 为美国 ＡＸＥＬ 公司生产的 ＩＮＴ￣１８９０Ｍꎬ上述四组分 的质量比为 １００ ∶１３０ ∶８ ∶１ꎮ 玻璃纤维为中国巨石股 份有限公司生产的 １２００ ｔｅｘ 无捻外抽 Ｓ４Ｃ 玻纤ꎮ 拉 挤模具温度为 １８０ ℃ ~ ２００ ℃ ꎬ后固化温度为 ２００ ℃ ~ ２３０ ℃ ꎮ
２������ ２ 实验设备及方法
碳纤维以复丝形式按照 ＧＢ / Ｔ ３３６２—２００５ 进行 拉伸强度测试ꎬ测试仪器为 Ｉｎｓｔｒｏｎ ２２８２ 电子万能材 料试验机ꎻ复合芯棒按照 ＧＢ / Ｔ ２９３２４—２０１２ 进行拉 伸强度测试ꎬ测试仪器采用 ＷＤＷ￣Ｅ２０００ 微机控制
收稿日期: ２０１７￣１２￣２１ 基金项目: 内蒙古自治区科技重大专项课题 “ 国产碳纤维在复合材料导线中的应用技术研究” ( ５４５５ＤＷ１６０００１) ꎻ 国家电网公司科技
我国碳纤维生产
我国碳纤维生产落后美日30年采用碳纤维编织成的轮毂今年3月日本东丽公司宣布成功研制出T1100G型高强高模碳纤维，我国企业近年来也不断传出突破高性能碳纤维研制和生产的报道。
那么什么是碳纤维，它有什么用途，我国的水平又在什么档次上呢？碳纤维具有高强高模等性能优势碳纤维是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维，其中含碳量超过99%的又称石墨纤维。
碳纤维具有相当独特和出众的物理和化学性能，它具有高强度、高模量、耐腐蚀、、耐磨擦、耐高温、导电和导热等多种优异的性能，堪称材料工业的明珠。
碳纤维与各种基体经过复合工艺后制成的碳纤维复合材料，早就在航空航天和军事领域得到了广泛应用，碳纤维复合材料也在民用领域得到了大量应用。
简单地说，碳纤维的密度仅有不到2吨/立方米，钢材的数分之一，强度却是钢材的10倍以上，其性能优势可想而知。
碳纤维的关键力学指标包括拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率等。
拉伸强度是指材料在拉伸过程中可承受的最大应力；拉伸模量是指材料拉伸时受到的应力与形变的比值，模量值越高，表示碳纤维的刚度越好；伸长率是指断裂前材料能被拉长的比例，伸长率越高，表示碳纤维的韧性越好。
理论上碳纤维的拉伸强度可以达到180GPa，拉伸模量更是在1000GPa左右，虽然日本东丽公司已经研制出拉伸强度9GPa的高强碳纤维，拉伸模量也达到690GPa的高模碳纤维，但两者尤其是拉伸强度还有很大的发展潜力。
碳纤维的断裂伸长率指标从早期的T300级别的1.5%增加到目前T1000级别的2.4%，有效缓解了碳纤维韧性不足的问题，进一步了扩展应用范围，如用于制造大型客机机体。
碳纤维的起源可以追溯到19世纪，英国人斯旺最早用碳丝制造电灯泡的灯丝，后来美国人爱迪生做出了实用的白炽灯碳灯丝，不过由于1910年库里奇发明了拉制钨丝的方法，灯丝全面改用钨丝，早期的碳纤维研究被打入冷宫。
20世纪50年代以后，为了解决导弹喷管和弹头耐高温和耐腐蚀等问题，美国研制出粘胶基碳纤维，碳纤维又一次登上历史舞台。
碳纤维的性能、应用及相关标准
聚丙烯腈基(PAN) 碳纤维的性能、应用及相关标准2010 年6 月15 日10:42 中国纤检摘要:聚丙烯腈基碳纤维就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。
本文简要介绍了国内外PAN 基碳纤维的发展历程与现状,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。
关键词:碳纤维;聚丙烯腈;标准碳纤维就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, 就是新一代增强纤维。
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，就是钢的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。
碳纤维就是一种以聚丙烯腈(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，就是航空航天、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、医疗器械与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。
1国内外聚丙烯腈基碳纤维的发展现状1、1国外发展现状1959年，媒体报道的日本的进藤昭南由聚丙烯腈长丝经预氧化、碳化而制成性能优良的碳纤维工艺专利，由于该工艺简单，产品力学性能优良，因此发展较快，开创了碳纤维的新时代。
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与以日本为代表的小丝束两大类。
日本与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，无论质量还就是数量上均处于世界前三位，占据了世界78%左右的产量。
国内外t700级碳纤维及其复合材料的性能
国内外 Ｔ７００级碳纤维及其复合材料的性能
刘亮１，颜会全１，王芬１，连峰１，２，刘府１ （１中复神鹰碳纤维有限责任公司，江苏 连云港 ２２２０６９；
２中国复合材料集团有限公司，北京 １０００３６）
摘 要：分别以国产 Ｔ７００Ｓ－１２Ｋ碳纤维与东丽 Ｔ７００Ｓ－１２Ｋ碳纤维为基体，在相同的制备条件下制 得纤维复丝及其复合材料，对比研究了两种碳纤维的复丝强度和复合材料性能。结果表明：ＳＹＴ４９碳纤维 复丝拉伸强度与模量达到同级别东丽 Ｔ７００级碳纤维；ＳＹＴ４９碳纤维板材拉伸、压缩、层剪和弯曲性能均 要接近或优于东丽 Ｔ７００Ｓ－１２Ｋ碳纤维复材，说明国产工业化生产碳纤维 ＳＹＴ４９在一定程度上可以取代东 丽同级别碳纤维。
本文在相同实验条件下制备纤维试样，分别 测试了中复神鹰 ＳＹＴ４９碳纤维和东丽 Ｔ７００Ｓ－１２Ｋ 碳纤维 全 分 析 特 性 及 其 复 材 性 能， 对 国 产 的 ＳＹＴ４９碳纤维与东丽 Ｔ７００Ｓ－１２Ｋ碳纤维性能进行 了对比研 究； 通 过 各 个 性 能 对 比， ＳＹＴ４９碳 纤 维 的性能已完全达到东丽 Ｔ７００Ｓ－１２Ｋ碳纤维性能 水平，这也 表 明 我 国 碳 纤 维 生 产 正 在 日 益 壮 大， 在工业应用上提供了重要的试验数据基础。
１ 实验部分
１１ 原料
Ｅ４４环氧树脂：南通星辰合成材料有限公司。 三乙烯四胺：分析纯，国药集团化学试剂有 限公司。 Ｓ５００１环氧树脂：ＷＰ－Ｓ５００１，惠柏新材料科 技有限公司。 东丽 Ｔ７００Ｓ－１２Ｋ碳纤维：日本东丽。 ＳＹＴ４９碳纤维：中复神鹰碳纤维有限责任公司。
１２ 主要设备及仪器
扫描 电 子 显 微 镜： ＫＹＫＹ－２８００型 扫 描 电 子
【碳纤维】各大碳纤维厂商碳纤维型号大集合,日后用得到(典藏版)
【碳纤维】各大碳纤维厂商碳纤维型号大集合，日后用得到（典藏版）（此文来自石墨邦邦友—碳纤维研究学者赵伟博士）不可否认日本三大碳纤维厂商的全球范围市场影响力是巨大的，尤其是东丽公司。
东丽公司的产品型号似乎已经成为碳纤维的标杆了，行业内人士交流碳纤维言必称T多少多少，甚至我国生产碳纤维也要说明是T多少水平。
一个企业产品的影响力大到这种地步，逐渐演变成隐形的竞争力。
行业内交流每提及T系列碳纤维就相当于给日本东丽做了一回广告，对于不了解内情的人来讲，只有T系列或者M系列的碳纤维才能叫碳纤维，其他公司生产的碳纤维型号就给人一种山寨的感觉。
这一现象其实对其他厂商来说也是不公平的。
本文试图带领大家详细了解国际国内知名厂商的碳纤维型号，脱去型号这一名称的外衣，了解它真是的性能参数。
日本东丽说起碳纤维不得不说日本东丽公司，它最初是做合成纤维和树脂的厂商，现在是世界上生产小丝束碳纤维最大的企业。
日本东丽公司的产品有两个系列，一个是T系列，代表的是高强度，一个是M系列，代表的是高模量。
如果强度和模量还分不清，去看看我以前的文章《技术角度看中国为什么搞不好碳纤维》开篇有介绍。
T系列大家都非常熟悉，很多人也都知道T300、T400、T700、T800等，其实也就是按照拉伸强度进行划分的等级。
抛开碳纤维模量、断裂伸长率、密度等参数，但从拉伸强度上看，这一系列碳纤维某一型号的碳纤维基本都是一样的。
T300的拉伸强度为3530MPa，T400拉伸强度为4410MPa，T700拉伸强度为4900 MPa，T800碳纤维分为两种，一种解捻拉伸强度5490MPa，一种无捻拉伸强度5880MPa，二者区别也就是捻度的问题。
强度最高的是T1000，拉伸强度高达6370MPa。
这一系列碳纤维模量相差并不是很大，最低位T300的230GPa,最高位T1000的294GPa，模量均不是太大。
东丽公司的M系列碳纤维主打高模量，起初有种产品是M30，模量为294GPa，其实与T800、T1000的模量相当，只能算上是个中间品，在T800和T1000的参数中模量已经高于其他型号碳纤维，属于中模量的范围，这里的M30或许是一种产品属于高强度系列和高模量系列的一个过渡。
不同碳纤维表面状态及其复合材料界面对比
第36卷 增刊1 稀有金属材料与工程 V ol.36, Suppl.1 2007年 8月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING August 2007收稿日期：2007-02-28作者简介：王 松，男，1976年生，博士，国防科技大学CFC 国防科技重点实验室，湖南 长沙410073，E-mai ：wangsong0731@不同碳纤维表面状态及其复合材料界面对比王 松，陈朝辉，李 伟(国防科技大学新型陶瓷纤维及复合材料国防科技重点实验室，湖南 长沙 410073)摘 要：对比研究了进口T300碳纤维和国产JC2#纤维的表面状态及其在C/SiC 复合材料中形成的界面状态。
结果显示T300纤维表面O 和N 杂原子含量丰富，其C 原子含量仅为86.0%；而JC2#纤维的表面C 原子含量达到93%。
与JC2#纤维相比，T300纤维的表面更为粗糙，其表面沟槽粗壮杂乱。
在C/SiC 复合材料中，T300纤维与SiC 基体紧密结合，经界面微脱粘法测试得出T300纤维与基体的界面微脱粘载荷是JC2#纤维的2倍。
高表面活性和粗糙物理表面是T300纤维在C/SiC 复合材料中形成强界面结合的根本原因。
关键词：碳纤维；表面；界面；复合材料中图法分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2007)S1-0608-031 前 言碳纤维自问世以来，凭借自身优异的高比强度、高比模量，抗腐蚀耐高温等性能，广泛应用于各类复合材料。
在复合材料中，碳纤维作为增强相必须通过纤维-基体界面才能实现增韧和补强的双重功效[1,2]。
纤维-基体界面性能主要由基体性能、复合成型工艺及纤维表面状态决定，其中纤维表面状态对复合材料界面及最终性能有着较大的影响。
碳纤维表面状态包括表面化学状态与表面物理状态：表面化学状态决定纤维-基体化学界面的结合强弱；表面物理状态决定界面的物理结合强弱。
不同碳纤维具有特有的表面状态，从而形成不同状态的复合材料界面。
国产T700级碳纤维表面特性对BMI复合材料湿热性能的影响
3
粒存在，这可能是由于萃取过程中残存的部分上浆剂或
2
（和）上浆剂与碳纤维原丝表面活性化学官能团反应引
1
起的。凸起的颗粒会增加碳纤维表面的粗糙度，碳纤维
1 2 3 4 5μm A、B 和 T700S 表面粗糙度值分别为 34.8nm、46.5nm 和 30.7nm，可以看出碳纤维 B 表面粗糙度最大，T700S 最
层间剪切强度按 ASTM D2344 标准测试，复合材料 铺层 [0]24，试验件尺寸 20mm×6mm×3mm，万能材料试 验机加载速率为 2mm/min。
复合材料湿热处理前力学性能测试条件为室温干 态，湿热处理后力学性能测试环境为 150℃。
2 结果与讨论
2.1 碳纤维表面形貌特征 采 用 扫 描 电 子 显 微 镜（SEM）和 原 子 力 显 微 镜
Keywords: T700 grade carbon Fiber Composites
90 航空制造技术·2014 年第 3 期
Interface Mechanicalment
碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）由于具有比 刚度和比强度高、密度小、耐腐蚀、耐疲劳以及可设计性 强等一系列优异的性能而被广泛应用于航空航天、能源 和汽车等行业 [1-4]。复合材料的机械性能通常依靠纤维 和树脂的性能，而良好的界面结合可以提高复合材料的 结构整体性，使载荷有效地从基体传递到纤维。
5μm5μm
1000..00nnmmL˙ INS ≡ T˙k + bˆ clock +4 3cˆINS +10ε˙00..00nnmm
5μm
2
5μm
4
1
4
3 2
4 5μm
3 2
1
日本东丽公司的碳纤维产品分类及应用
日本东丽公司的碳纤维产品分类及应用本文主要介绍了东丽碳纤维分类产品的性能特点、应用及规格，概述了东丽碳纤维在航空航天、工业应用及体育休闲三大领域应用情况。
东丽公司碳纤维主要是按照力学性能进行区分，按照拉伸强度和拉伸模量可以分为T系列和M系列：T系列高强度碳纤维：分别标准模量级和高强/超高强中模级；M系列包括高模M系列和高强高模MJ系列。
1标准模量碳纤维标准模量（Standard modulus）碳纤维通常具有225GPa-235GPa（33-34msi）或略高的纤维模量。
TorayT300标准模量碳纤维是公认的行业标准碳纤维，已经生产了30多年。
T700S则是拉伸强度最高的标准模量级碳纤维。
标准模量碳纤维涵盖1K到24K不同规格。
T300：用于航空航天应用领域，具有20多年应用历史、30年的生产历史，以平衡复合材料特性、高质量、一致性、可靠性和稳定供货而闻名。
T400H：拉伸强度高于T300和T300J，专为航空航天应用而设计。
T700S：可提供最高强度的标准模量级碳纤维，具有出色的加工特性，适用于纤维缠绕、编制和预浸料。
这种无捻纤维主要用于各种工业和休闲娱乐用品，包括天然气汽车（NGV）储罐和SCBA呼吸罐等压力容器。
T700G：较T700S的拉伸模量和粘合性能有所提升。
这种无捻纤维的应用主要包括飞机和高性能运动用品。
2高强/超高强中模碳纤维中模（Intermediate modulus，IM）碳纤维的拉伸模量为290GPa（42msi）。
IM纤维最初是为航空航天应用而开发的，现在也可用于休闲娱乐和工业应用。
Toray提供各种规格IM纤维，结合不同价位和性能特征，可满足各行各业的需求。
Toray的IM纤维规格包括6K，12K，18K和24K。
按照拉伸强度可以分为高强中模碳纤维（T800H、T800S、T1000G）和新一代超高强中模碳纤维（T1100G、T1100S）。
T800H：高强中模碳纤维，具有高水平和平衡复合特性。
4.原创 扒一扒碳纤维性能参数里的隐藏属性
原创| 扒一扒碳纤维性能参数里的隐藏属性第一项先来说说离散系数，也就是我们经常提出的CV值。
通常碳纤维厂商的产品参数表里面是不会有这一项的。
这个只是行业内部进行交流的参数。
不过这个参数确实影响着碳纤维的使用效果。
我们通常所说国产碳纤维质量不稳定，说的也是离散系数太大。
那么什么叫离散系数呢？离散系数又叫变异系数，表征的是两组数据偏离程度的参数。
打个比方，今天生产出来的碳纤维测一测强度，和昨天生产出来的碳纤维测得的强度进行对比，如果两组数据相差过大，那就是离散系数太大，说明产品质量不稳定。
由于是科普文，我也不准备列公式深入探讨，你只要记住一个形象的例子：打靶。
打靶的时候我们的目标是靶心，但实际上打出来的位置都会有偏离，如果偏离靶心比较大，那就是离散系数大，偏离靶心小，那就是离散系数比较小。
可这些又有什么用呢？复合材料有一大特点就是结构可设计性，我们可以根据工件的要求不同，对其进行精确地纤维铺层等方面的设计，最高效的发挥材料的优势。
这里的精确设计要求我们必须准确的知道材料的性能参数。
但如果是离散系数过大的碳纤维，也就是我们说质量不稳定的碳纤维，那么精确设计就无从下手。
就像用一双颤抖的手去穿针引线一样困难。
可以说没有质量稳定的碳纤维，就没有高性能的复合材料。
CV值得重要性绝对不亚于我们通常关注的强度和模量。
所以苏格拉伟（微信号：zahawe）的观点是，宁可强度不高，也不要质量不稳定。
只要质量稳定，哪怕强度不高，我也可以通过结构设计去弥补，这才能体现复合材料的精确设计这一优势。
如果说做出碳纤维需要3-4年，那么将质量稳定则需要10-20年的摸索。
这个质量稳定阶段将是碳纤维企业黎明前最黑暗的时刻，尤其对我们国内碳纤维生产企业来讲，更是如此。
我们生产出T300，国外将同等级别碳纤维价格降得很低，而中国做不出来的碳纤维价格却很高，以此补贴低级别碳纤维。
这样国内使碳纤维企业难以生存，大多数熬不过黎明前最黑暗的时刻。
国产T700级碳纤维增强双马树脂基复合材料的力学性能
2017年第37卷航空材料学报2017，V〇1. 37第2 期第63 - 72 页JO U RN A L OF AERO N A U TICA L M ATERIALS No. 2 pp. 63 - 72国产T700级碳纤维增强双马树脂基复合材料的力学性能李国丽，彭公秋，王迎芬，谢富原(中航复合材料有限责任公司，北京101300)摘要：采用扫描电子显微镜（SEM)、反气相色谱（IGC)和X射线光电子能谱仪（X PS)对国产T700级碳纤维和东丽T700S碳纤维的表面形貌、表面能和表面化学特性进行表征，测试两种碳纤维增强双马树脂基复合材料的力学性能，考察国产碳纤维复合材料的界面黏结性能、韧性和湿热性能。
结果表明：碳纤维表面特性（表面形貌、表面能和表面化学组成等）对复合材料界面黏结性能具有显著影响；国产T700级碳纤维/QY9611复合材料在室温下的界面黏结性能优于T700S/QY9611复合材料；国产T700级碳纤维/QY9611复合材料的韧性优异，冲击后压缩强度达到了国外先进复合材料IM7/5250-4的水平；经湿热处理后的层间剪切强度仍与T700S/QY9611复合材料相当，说明 国产T700级碳纤维/QY9611复合材料具备良好的湿热性能。
关键词：碳纤维；双马树脂；复合材料；力学性能d o i：10. 11868/j.issn. 1005-5053. 2016. 000076中图分类号：TB332 文献标识码： A 文章编号：1005-5053(2017)02-0063-10碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质、高强 度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、工艺性好，容 易制造大型结构和整体结构的优点[1_3]，是理想的 武器装备结构材料，已广泛应用于飞机机体、发动 机、导弹、卫星、战车、火炮、舰艇等武器装备及民 用产品[4]。
由于碳纤维增强树脂基复合材料满 足航空装备高性能化、轻量化要求，作为航空领域 的主体材料，其用量已成为衡量航空装备先进性 的重要标志[8]。
碳纤维的技术及应用
碳纤维的技术及应用碳纤维是由有机母体纤维（例如粘胶丝、PAN聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的。
其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。
碳纤维是一种含碳量高于99%的无机高分子纤维，其含碳量随种类不同而异，其中含碳量高于99%的称石墨纤维。
碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，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23000~43000MPa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。
根据原料不同，碳纤维可分为粘胶基碳纤维、PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。
其中，粘胶基碳纤维主要用于耐烧蚀材料，PAN基碳纤维主要用于生产高强度纤维，沥青基碳纤维主要用于生产高模量纤维。
沥青基碳纤维根据沥青的结晶状态，可分类为等方性和中间相2种，等方性耐热性和耐药品性、滑动性优异，中间相具有高强度、高模量等机械特性。
根据碳纤维的机械强度与模量的高低，可分为5级性能，分类如下表：表1 碳纤维分类根据炭化温度不同，分为三种类型。
（1）普通型（A型）碳纤维：在900～1200℃下炭化得到的碳纤维。
强度和弹性模量都较低。
一般强度小于107.7cN/tex,模量小于13462cN/tex。
（2）高强度型（Ⅱ型或C型）碳纤维：在1300～1700℃下炭化得到的碳纤维。
强度很高，可达138.4～166.1cN/tex，模量约为13842～16610cN/tex。
（3）高模量型（Ⅰ型或B型）碳纤维：又称石墨纤维。
在炭化后再经2500℃以上高温石墨化处理得到的碳纤维。
强度较高，约为97.8～122.2cN/tex。
模量很高，一般可达17107cN/tex以上，有的甚至可达31786cN/tex。
碳纤维材料的性能及应用
碳纤维材料的性能及应用文章阐述了碳纤维材料的国内外发展现状，论述了碳纤维材料的分类特性和功能特性。
同时，着重介绍了碳纤维材料在航空、体育等行业中的应用，并展望了其发展前景。
标签：碳纤维材料；性能；应用；前景1 前言碳纤维主要成分为碳元素，是一种特种纤维，其分子结构界于石墨与金刚石，含碳体积分数一般在0.9以上[1]。
碳纤维的优点是质量轻、抗拉强度高，同时具有耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等优点。
碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合后，形成碳纤维复合材料，也具有高的比强度、比模量、耐疲劳、导热、导电等[2]，这些优良的综合性能，使得碳纤维材料在现代工业方面应用非常广泛。
2 发展历史及国内外发展现状美国于20世纪50年代开始研究粘胶基碳纤维，1959年生产出了粘胶基纤维，这是最早的碳纤维产品。
同一年，日本发明了制造碳纤维的新方法，即用聚丙烯腈基原丝制造碳纤维材料。
之后，英国皇家航空研究院的研究工作，使聚丙烯腈基碳纤维成为碳纤维工业的主流。
20世纪70年代中期，美国联合碳化公司研发了高性能沥青基碳纤维。
同时，日本东丽公司于20世纪70年代初期，开始生产钓鱼杆和高尔夫球棒。
1974年，美国把碳纤维用于网球和羽毛球拍，实现了碳纤维增强塑料化。
20世纪80年代，碳纤维广泛用于客机、航天飞机和人造卫星。
随着社会和科学技术的发展，碳纤维的需求量以大约13%的速度逐年递增[3]。
我国在意识到碳纤维对军工和民用的价值后，于1975年召開全国第一次碳纤维复合材料会议，将碳纤维及其复合材料纳入国家科技攻关项目。
经过四十多年的发展，我国碳纤维从无到有，取得了一定的成绩。
但总的来说，我国碳纤维材料的研发和生产水平低，不能满足国内与日俱增的市场需求。
目前，国内大部分企业的技术水平和设备水平低下，生产的碳纤维产品也在国际中下游水平[4]。
3 碳纤维材料的特性碳纤维与钻石和石墨一样，主要由碳元素组成。
具有以下特性：3.1 轻质高强，其密度为铁的1/4，比强度为铁的10倍以上，抗拉强度是钢材的68倍，弹性模量是钢材的1.8～2.6左右，其抗拉模量为295～640GPa，拉伸强度为3.62～7.05GPa。
国产碳纤维与东丽碳纤维的性能
１ 试 验 部 分
１ ， １ 原 料
不 同的载荷 情 况 下均 有纤 维 断裂 ， 从 而 使 得 国产 碳 纤 维 断裂 点位 移较 大 。
国产 聚丙烯 腈 基碳 纤 维 （ ＭＴ３ ０ ０ Ｃ － ３ Ｋ） ， 河 南 永 煤
碳纤 维有 限公 司生 产 ； 日本 东 丽碳 纤 维 （ Ｔ ３ Ｏ Ｏ ３ Ｋ） ， 东丽 碳纤 维 有 限公 司生产 。 １ ． ２ 性 能测 试
展始 ７ Ｏ 年代 ， ８ Ｏ年 代 开始 研 究 高 强 型 碳 纤 维 ， 虽然 进 步缓 慢 ， 也 有 一定 的发 展 ［ ４ ］ 。近几 年来 ， 我 国碳 纤维 产 业 发展 迅 速 ［ ５ ］ ， 目前 已有 ３ Ｏ多 家企 业 和科 研 院涉 足碳 纤 维生 产 及研 发 ［ ６ ］ ， 河 南 永 煤 碳 纤 维 有 限公 司生 产 的
验 方法 往复 式磨 辊法 》 标准， 在 自制 耐磨 仪 上进 行纤 维 耐 磨性 能 的测 试 。砝 码 为 ５ ０ ｇ ， 偏心转轮转速 为 １ ２ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ ， 用 ６ ０ ０目砂 纸包 覆 ， 进行 相 对往 复摩 擦 运动 ， 纤 维 断裂 时 的运动 次数 即 为耐磨 次 数 。用 显微 镜 观察 纤
作者简介 ： 申宏旋 （ １ ９ ９ １ 一 ） ， 女， 硕士， 主要研 究领 域 ： 碳 纤 维表 面改 性 ， Ｅ ＿
ｍａ ｉ ｌ ： ｓ ｈ ｅ ｎ ｈ ０ ｎ ｇ ｘ ｕ ａ ｎ ２ Ｏ Ｏ ５ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ。
制的耐磨仪上测试 的， 如图 ６ 所示 。同样 的测试条件 下， 国产 碳纤 维 的耐 磨次数 为 １ ８ ４次 ， 而 东丽 碳纤 维 的
摘
要： 对 国产碳纤 维和 东丽碳 纤维的拉 伸性能和耐磨性进行 了测试 分析 。结果表 明 ， 国产碳纤 维拉伸 断裂 点位移
碳纤维复合材料国产化
碳纤维复合材料国产化这里的碳纤维复合材料，是指能够代替金属材料制造结构零件的，树脂基碳纤维复合材料。
树脂基碳纤维复合材料是由两部分组成：碳纤维和基材树脂。
一.国产碳纤维的水平碳纤维技术一直被美国和日本等国垄断，但由于我国政府的高度重视，和科研院校、企业等多方面的努力，目前我国已经有多达20几家生产碳纤维的企业。
同时还有较多的技术实力雄厚的科研院校，从事碳纤维的研发工作。
1.碳纤维的命名碳纤维在制造过程中，有一道碳化工序。
碳化工序是首先在低温炉中进行，最后进入高温炉中碳化。
在1315°C碳化的纤维，其中含有93%到95%的碳。
拉伸模量225-300GPa（东丽用T表示）。
在1900°C到2480°C的温度下石墨化的纤维，含有99%以上的碳元素。
拉伸模量300-700GPa（东丽用M表示）。
上述两种碳纤维的拉伸模量不同，拉伸强度差别很大（见表1.）。
两种纤维的用途也截然不同。
T类纤维多用于飞机受力结构件；M类纤维多用于航天飞船、卫星上，要求耐温差、不变形、高精度的零件。
表1. 东丽最新碳纤维性能表对两种含碳量不同、用途不同的碳纤维，东丽分别用T和M后加数值表示。
这种命名法一目了然显示出不同特点的纤维。
国产碳纤维总要走出国门。
借鉴东丽的命名法，将有助于进入国际市场。
2.国产碳纤维与东丽的差距从表1.明显看出，东丽已经投入工业化生产的碳纤维，性能各异、品种繁多。
而且陆续有新品种问世。
过去一些媒体报道中，经常将国产T800量级碳纤维，看成代表国际水平。
其实真正用于民机上的是T800H和T800S。
T800H用于制造波音777尾翼，T800S用于制造波音787机身、机翼、尾翼。
表中的T1100G的拉伸强度7.0GPa,拉伸模量324GPa。
这个模量已经超过中模量数值，故叫中高模量(IM )。
这种碳纤维配合新的基材树脂3960，将民机应用复合材料推向更高水平。
宁波材料研究所“高模量，高强度”碳纤维，拉伸强度为4.86GPa、拉伸模量为541GPa。
[高分子材料] 日本东丽开发出高强、高弹性模量新型碳纤维
![[高分子材料] 日本东丽开发出高强、高弹性模量新型碳纤维](https://img.taocdn.com/s3/m/19c364b45f0e7cd185253670.png)
环球网2018-11-24日本东丽开发出了强度比以往产品提高30%的新型碳纤维。
即使减少碳纤维的使用量，也能维持成型的零部件的性能，可减轻飞机等的重量。
东丽将首先推动该产品在高尔夫用具和无人机上的应用，力争到2020年后半期用于飞机。
碳纤维难以兼顾强度和弹性模量，一直以来，这都是技术开发的焦点和难点之一。
与以往产品相比，新型碳纤维在保持高弹性模量的同时，成功提高了拉伸强度。
新型碳纤维的弹性模量为377GPa，丝束拉伸强度为GPa。
有分析认为，这是世界范围内首次以这一水平量产，且兼顾两个功能的碳纤维。
目前，东丽能够在纳米尺度上对纤维的内部结构进行控制，从而使纤维内部细小晶粒取向一致。
新产品与现有M40J高模量碳纤维产品保持了相同的弹性模量，同时将拉伸强度提高到了T800级碳纤维的水平。
在飞机和汽车上，使用碳纤维用替代金属的情况正在增加。
目的是减轻重量，改善燃效性能。
从开发周期较长的飞机来看，有望从下下一代开始采用。
东丽认为，还有望应用于以电力马达和电池驱动的电动飞机。
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详细解析日本东丽碳纤维各项参数
详细解析⽇本东丽碳纤维各项参数编者按：2012年，To r ay C ar bo n F i ber Eu r o pe发布了⼀版东丽碳纤维产品标号说明，对其下属型号产品各个英⽂编号和数字编号进⾏了详细解释，国内也有学者对其进⾏了翻译，但是存在⼀些参数标识不全的情况，恰逢有⽹友咨询东丽碳纤维产品编号意义，在此索性整理详细版本。
图1 ⽇本东丽碳纤维产品主要编号意义1、纤维类型 T700SC – 12000 – 50C⽇本东丽碳纤维实现商品化以来，其产品发展主要经过了三个系列产品，T系列、M系列和MJ系列；其中T系列代表了碳纤维的拉伸强度，M系列代表了碳纤维的拉伸模量，后期出现的MJ系列同时实现了⾼强度和⾼模量，因此⽬前基本上已经完全替代M系列。
T后⾯三维或四位数字代表了纤维具体性能数据，单位为kgf/mm²或ksi，如T700中拉伸强度为711ksi，ksi为英制单位，其与公制单位MPa之间关系为1ksi=6.894 MPa，所以换算成公制单位后，东丽T700拉伸强度为4900MPa。
除了上述T、M、MJ系列以外，2019年⽇本东丽推出了⼀款Z600产品，关于该产品详细信息可以参见《深度解密⽇本东丽最新产品Z600碳纤维》，该产品之所以⽤Z命名，主要是因为该产品由东丽收购的美国企业Zoltek⽣产。
2、⽣产批号信息⽬前⽇本东丽公司在法国、美国等均设⽴分⼚，⽣产⼚商不同，其产品标号也存在差异，如产品批号⾸字母为F代表产品为法国⽣产，⾸字母空⽩则说明是在⽇本本⼟⽣产。
图2 ⽇本东丽碳纤维产品⽣产批号意义不少⽤户认为既然法国Soficar、美国CFA等是⽇本东丽公司分⼚，其产品应该和⽇本东丽完全相同，其实不然，在法国、美国设⼚⽬的主要是⽅便为欧洲空客、美国波⾳就近提供碳纤维原材料，虽然产品主要性能指标相同，但是却也存差异，如⽇本东丽上浆剂配⽅不会提供给法国分⼚。
3、加捻类型 T700S C – 12000 – 50C何谓加捻？对于纺织材料领域学者⽽⾔是个很简单概念，加捻是指对纤维丝束绕其轴线进⾏扭转、搓动或缠绕的过程，经过加捻后可以赋予纤维丝束⼀定的强伸性和稳定的外观形态。
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国产碳纤维与东丽碳纤维的性能
申宏旋;毛丽贺
【摘要】对国产碳纤维和东丽碳纤维的拉伸性能和耐磨性进行了测试分析.结果表明,国产碳纤维拉伸断裂点位移较大,拉伸后形貌呈蓬松状,耐磨性较差,且摩擦后毛羽量较多;纤维表面有较多缺陷容易产生应力集中,需改进单丝生产工艺并寻求合适上浆剂进行后处理.
【期刊名称】《纺织科技进展》
【年(卷),期】2017(000)006
【总页数】3页(P35-37)
【关键词】国产碳纤维;东丽碳纤维;拉伸性能;表面形貌
【作者】申宏旋;毛丽贺
【作者单位】天津工业大学纺织学院,天津 300387;天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津 300387;天津工业大学纺织学院,天津 300387;天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津 300387
【正文语种】中文
【中图分类】TS102.4
高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等特点，已成为发展先进武器装备的关键材料，在航空航天、国防军工、体育休闲等领域得到了广泛应用[1-3]。
随着复合材料的迅速发展，全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%。
我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，发展始70年代，80年代开始研究
高强型碳纤维，虽然进步缓慢，也有一定的发展[4]。
近几年来，我国碳纤维产业
发展迅速[5]，目前已有30多家企业和科研院涉足碳纤维生产及研发[6]，河南永
煤碳纤维有限公司生产的MT300C-3K碳纤维，主要技术指标已经达到国际通用
的T300产品标准。
但是国产碳纤维存在原丝生产技术不过关，纤维稳定性和均匀性较差，产品有较多的孔隙和缺陷，杂质成分高，碳纤维性能较差[7]。
本文主要
通过国产碳纤维与东丽碳纤维性能的对比，找到国产碳纤维与国际上优良产品的差距，以寻求合适的解决方法，促进我国碳纤维行业的发展。
1.1 原料
国产聚丙烯腈基碳纤维(MT300C-3K)，河南永煤碳纤维有限公司生产；日本东丽
碳纤维(T300B-3K)，东丽碳纤维有限公司生产。
1.2 性能测试
拉伸性能测试按照GB/T3362-2005标准制成试样，在华龙WDW-20型万能材料试验机上进行束纤维拉伸强度测试,试验加载速度设定为2 mm/min，每个样品测
量10次。
根据ZBW0404005-89《纱线耐磨试验方法往复式磨辊法》标准，在自制耐磨仪上进行纤维耐磨性能的测试。
砝码为50 g，偏心转轮转速为120 r/min，用600目砂纸包覆，进行相对往复摩擦运动，纤维断裂时的运动次数即为耐磨次数。
用显微镜观察纤维摩擦后表面毛羽情况。
2.1 拉伸性能
拉伸试验是在岛津拉伸试验机上进行的，如图5所示，拉伸试验结果可以直接在
电脑上记录。
通过图1和图2可以看出，同样是3K的碳纤维，国产碳纤维的拉伸强度略微大于东丽碳纤维的拉伸强度，同时由试验数据可以得出国产碳纤维拉伸断裂时载荷最大为77.58 N，东丽碳纤维拉伸断裂时的载荷最大值为73.92 N。
但是国产碳纤维断裂点位移较大，这是因为国产碳纤维单丝的拉伸强度存在强烈的不稳
定性，各个碳纤维单丝所能承受的最大载荷不一致，导致了在不同的载荷情况下均有纤维断裂，从而使得国产碳纤维断裂点位移较大。
由图3和图4可以看出，东丽碳纤维断裂时集束性仍然较好，而国产碳纤维断裂时多呈蓬松状。
这是因为在拉伸过程中，在较低的拉伸载荷情况下，东丽碳纤维基本没有断裂情况，而国产碳纤维中的部分单丝已经开始断裂，导致了最后的断裂形貌的不一致。
2.2 耐磨性
耐磨性测试是在天津工业大学复合材料研究所自制的耐磨仪上测试的，如图6所示。
同样的测试条件下，国产碳纤维的耐磨次数为184次，而东丽碳纤维的耐磨次数可达240次。
从图7和图8可看出，摩擦相同的次数后，东丽碳纤维仍然呈集束状，而国产碳纤维则呈蓬松状，并且东丽碳纤维表面毛羽较少。
原因可能有两点：一是国产碳纤维生产过程中的技术问题导致的表面缺陷及瑕疵引起的；二是国产碳纤维的上浆剂性能不好，导致纤维表面比较粗糙，并且纤维集束性较差。
2.3 表面形貌
由图9和图10可以看出：东丽碳纤维和国产碳纤维表面都有不同程度的凹槽，但是东丽碳纤维表面的凹槽较深，有利于纤维与树脂的界面结合。
并且东丽碳纤维表面比较均匀，拉伸时不会出现应力集中的现象，因此拉伸性能稳定；而国产碳纤维表面有一定缺陷，拉伸时会出现应力集中，从而导致部分纤维先断裂，有缺陷部分和没缺陷部分的拉伸性能差异也较大。
通过拉伸性能的对比可以得出：虽然国产碳纤维丝束整体的拉伸强度与东丽碳纤维相当，但是碳纤维单丝性能极其不稳定，且因为表面缺陷造成的应力集中现象比较明显，造成拉伸断裂点位移相差较多。
因此迫切需要改进碳纤维单丝的生产工艺，把性能的稳定性作为重点。
通过耐磨性和表面形貌观察可以得出：国产碳纤维集束性较差，容易产生毛羽，一方面与上浆剂有关，另一方面与表面粗糙度有关。
在后处理过程中，如果寻求合适的上浆剂对碳纤维进行表面处理会对碳纤维的各方面性能都有所改进。
【相关文献】
[1] 贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社,2004.
[2] 刘雄亚，欧阳国恩.透光复合材料、碳纤维复合材料及其应用[M].北京：化学工业出版社,2006.
[3] 贺福，王茂章.碳纤维及其复合材料[M].北京：科学出版社，1995.
[4] 孙敏.碳纤维技术发展及应用分析[J].煤炭加工与综合利用,2014,(8),14-23.
[5] 江润喜.碳纤维的发展现状[J].合成技术与应用，2010,25(1):28-33.
[6] 付瑶，蒋元力,曹国喜.国产碳纤维与东丽碳纤维与PP复合材料性能的对比研究[J].化工新型材料，2014,42(6)：152-159.
[7] 陈丽.碳纤维微观结构表征与性能分析[D].绵阳：西南科技大学，2015.。