引领交通领域新材料革命的碳纤维技术

引领交通领域新材料革命的碳纤维技术

人类的碳纤维技术发展开始于50年代初，最早应用在火箭、宇航及航空等尖端科学技术，到今天广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。随着近年来碳纤维行业的逐步发展，已经逐渐向汽车、航空领域扩展。

碳纤维：开启汽车轻量化时代的魔匙

汽车轻量化的概念由来已久，是指要在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能多地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗以降低排气污染。根据研究显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升，汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。此外，车辆每减重100公斤，二氧化碳的排放量可减少约5克每公里。因此，汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要。在驾驶方面，轻量化以后，汽车的整体加速性将会得到显著提高，操控的灵敏性随之变高，车辆控制的稳定性、噪音、振动等方面也均有改善。

要实现汽车轻量化，最主要手段就是轻质材料的大量应用，如铝、镁、陶瓷、塑料、碳纤维复合材料等，而在所有能够替代如今汽车整备的材料中，碳纤维是被给于厚望的新材料。碳纤维的物理属性决定了碳纤维模量高和轴向强度，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。而且碳纤维的比重不到钢的1/4，抗拉强度却达到钢的7-9倍，以其制造的汽车可以节约燃油30％。但利用碳纤维材料实现汽车轻量化同样面临巨大的问题，不仅是碳纤维本身价格昂贵，而且将碳纤维制造成为产品同样是一笔巨大花费。

全球碳纤维行业需求快速增长，高端产品长期看好。著名跑车品牌兰博基尼归于德国三大汽车巨头ABB之一的奥迪所有，这家公司已经在同美国的波音航空公司携手开发碳纤维材料，专门用于制造汽车。兰博基尼的著名车型Aventador就是使用了一系列的碳纤维材料制造的元件，并且结合了金属铝制造的车身框架，整个车体的槽座部分都是采用碳纤维材料制成的。

日本企业则将量产汽车用碳纤维。帝人公司近期宣布将在全球首次量产汽车用碳纤维，首期在美国投资约300亿日元，计划到2015年之前将产能扩大四成，美国通用汽车（GM）计划在批量销售的车型上采用碳纤维，而帝人作为通用的主要合作企业，将与其签署协议。帝人拥有新的碳纤维生产技术，预计其成本将大幅降低，其成本将从钢铁的数十倍的缩减至只有钢铁的不到2倍。同样来自日本的东丽正在争取与德国戴姆勒公司进行合作，以加强在欧洲的生产体制。如果再算上三菱丽阳的话，日本3大厂商将占据全球碳纤维份额的6成。

我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维，尽管多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快，我国碳纤维制造开始向技

术多元化发展，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料行业研发的热点。近些年我国碳纤维需求量增长率成上升态势，预计自2013年起需求增长率将大幅提高。预计到2015年，国内需求量有望突破2万吨。不过，为了满足日益扩大的国内需求，目前我国每年还要大量进口碳纤维，按照2011年国内消费量1万吨、国内产量2000吨计算，进口量约为8000吨，也就是说，目前我国碳纤维进口依赖度约为80%，进口替代空间很大。

目前，阻碍碳纤维在汽车领域商品化的关键因素是制造成本。不过，随着碳纤维行业的不断成熟与发展，以及节能减排和汽车轻量化大方向的指引，碳纤维材料或成汽车界“瘦身革命”的领导者。可以预见，碳纤维轻量车身必将掀起一股新的变革潮流，一个新的市场突破点正在形成，汽车轻量化时代正在加速来到我们的身边。

碳纤维：航空航天领域的材料新宠

碳纤维同样广泛应用于国防军工、航空航天、电力、车辆、建筑、石油化工器材等诸多工业领域以及体育器材等。

国际上碳纤维在航空航天、工业和体育休闲三大领域的应用比例为29∶56∶15。中国“十二五”新材料产业发展规划将碳纤维作为高性能纤维材料之首来发展，并列入“十二五”新材料产业重点发展产品目录。除了作为发展航空航天和国防军工等尖端技术必不可少的战略性原材料，碳纤维还是工业产品更新换代、产业升级不可或缺的基础材料。中国大飞机的研制也将使用碳纤维。

研制大型飞机要突破许多关键技术，其中之一是“先进复合材料结构设计技术”，这就离不开碳纤维。碳纤维以其优异的性能已经广泛应用于飞机制造业，最突出的主要性能是强度大、模量高、比重小、质量轻。另外，还具有耐高温、耐疲劳、耐腐蚀、耐高导和耐稳定性等一系列优异性能，而且与其他材料的相容性高、兼备纺织纤维的柔软可加工性、容易复合、设计自由度大等。碳纤维的这种特性决定了它可以应用于航空航天、体育休闲、交通运输、医疗卫生、土木建筑等诸多领域。

在航空航天领域，利用碳纤维的耐高温、比强度高和比模量高等力学特性作为航空、航天、飞机、飞船等的结构材料使用。如飞机的一次构造材料：主翼、尾翼和机体等；二次构造材料：副翼、方向盘、升降舵、内装材料、地板材、刹车片及直升机的叶片等。火箭的排气锥体、发动机(盖、壳体、燃烧室、喷管、喉衬、扩散段)、助推器壳体等；导弹武器的整流罩、弹体、端头、喷管、扩散段等；人造卫星的承力结构、热防护系统、太阳能电池基板、复杂曲面天线、连接架等；宇宙飞船的翼面板和支撑构件等。太空站和天地往返动输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料为主要材料。目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70%～80%，在军用飞机上占30%～40%，在大型客机上占15%～50%。

世界碳纤维的需求在各用途领域都不断增长，特别是急速增长的航空航天领域拉动了碳纤维全体的增长。世界碳纤维在航空航天领域的使用量，2006年为3775吨，占总用量的15.6%，预计2010年将增加到5389吨，占16.9%。我国碳纤维在航空航天领域的应用量远