碳纤维未来发展前景分析

碳纤维未来发展前景分析

摘要：碳纤维已经发展成为重要的现代工业材料之一，应用领域非常广泛。文章阐述了目前国内外碳纤维发展状况和我国碳纤维存在的一些主要问题，重点介绍了碳纤维在工业、土木建筑和交通运输等领域的应用状况及其碳纤维复合材料产品的发展并且讨论了碳纤维的发展趋势。

关键词：碳纤维；发展现状；应用；发展趋势

Abstract: Carbon fiber has become one of the important modern industrial materials and it can be used in many fields. This paper describes the current development of carbon fiber at home and abroad and some shortcomings of carbon fibers in china also be discussed. This paper also focuses on the application of carbon fiber in industry, civil construction, transportation, and other fields and the development of composite materials product of carbon fiber .The development trend of carbon fiber is also be discussed.

Key words: Carbon Fiber; Development Status; Application; Development Trend

0 引言

碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。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。碳纤维具有十分优异的力学性能，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，特别是在2000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其他主要结构材料（金属及其合金）所无法比拟的。除了优异的力学性能外，碳纤维还兼具其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高，非磁体但有电磁屏蔽性等。

作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是先进复合材料最重要的增强材料，已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。

1 国内外碳纤维的发展现状

1.1 国外碳纤维的发展现状

目前世界各国发展的主要是PAN 基碳纤维和沥青基碳纤维。国外PAN 基碳纤维的研究与开发开始于20世纪60 年代。起初，碳纤维主要用于军工和宇航，经过40余年的发展，其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大［1］。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，产能情况如表1.1所示［2］，其产量大约是小丝束碳纤维产量的33 % 左右。

表1.1 世界大丝束碳纤维产能情况t/a

生产商产能

美国AKZO-Fortafil(阿克苏-福坦菲尔) 3500

Zoltek 1800

Aldila(阿尔迪拉) 1000

德国SGL(爱斯奇爱尔) 1900

日本Toray 300

总计9500

近年来，大丝束碳纤维获得飞速发展，世界上过去不生产大丝束碳纤维的一些碳纤维生产厂也纷纷打算生产大丝束碳纤维或已开始生产大丝束碳纤维，最典型的当推Toray公司；同时，国外已经通过利用与电磁辐射有关的等离子技术由完全和部分稳定的碳纤维原丝来生产碳纤维；并且把纳米技术也应用在碳纤维上，研制出纳米碳纤维，Carbon Nanotechnologies Inc.（Houston，TX）、Materials & Electrochemical Research Corp.（Tucson，AZ）和日本Mitsubushi Chem与Toray 等计划大规模生产纳米碳纤维［3］。

1.2 我国碳纤维发展现状

从20世纪70年代中期开始，经过30余年的发展，我国碳纤维从无到有，从研制到生产取得了一定的成绩，但总的来说，我国碳纤维的研制与生产水平还较低，目前仅相当于国外20 世纪70 年代中、末期水平［4］。

1.2.1 PAN 基碳纤维

我国PAN 基碳纤维的开发研制已有30 多年历史。20世纪60 年代初，吉林应用化学研究所已着手于PAN基碳纤维的研究，70 年代初已完成连续化中试装置。其后，上海合成纤维研究所、中国科学院山西煤化所等单位也开展研制工作，并于80 年代中期通过了中试。我国碳纤维生产先后建成了从年产几百千克到年产几吨的小试装置和几十吨的中试生产装置，起步不晚，但发展缓慢，总生产能力还不及发达国家或地区的一家公司见表1.2[5,6]。

表1.2世界各大PAN基碳纤维公司2002-2004年的产能t/a

生产公司生产能力日本Toray 9100（小丝束）

日本Toho 5600（小丝束）

日本Mitsubishirayon 4700（小丝束）

美国Hexcel 2000（小丝束）

英国Amoco 1900（小丝束）中国台湾台湾工程塑料公司1750（小丝束）美国AKZO-Fortafil 3500（大丝束）