碳纤维复合材料发展

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

［13］。在亚洲特别是中国（包括台湾省）正越来越多地生产管状复合材料件，像高尔夫球杆和网球拍等，其它还包括箭杆、钓鱼竿、自行车架、船桨、滑雪工具、棒球棒、公路赛车、竞技墙等体育用品。

2.2 碳纤维及其复合材料的产品

2.2.1碳纤维加固补强织物

上海市纺织科学研究院研制的碳纤维加固补强织物是一种高科技含量的产品, 该纤维采用国

外进口高性能碳纤维加工而成, 具有高强高效、耐久耐腐、质量轻等特点。该补强织物具有以下性能:面密度为300 g/m2, 厚度为0.3 mm, 弹性模量为2.1 ×105 MPa, 拉伸强度≥3 300 MPa, 伸长率≥1.6 %, 密度1.80 g/cm3幅宽30~150 cm。补强技术是用配套树脂将碳纤维织物粘贴于混凝土结构表面, 起到结构补强及抗震加固作用, 广泛用于梁、柱、板、墙等补强, 也可用于桥梁、隧道、水坝等其他土木工程的加固。

2.2.2 新型活性碳纤维杀菌效果神奇

中国台湾地区逢甲大学材料科学研究所成功研发出一种新型活性碳纤维。经测试发现, 使用一层这种纤维布, 可以百分之百地过滤和抵挡绿脓杆菌和大肠杆菌, 对肺炎杆菌的减菌率在99.99 %以上。放置一年后, 杀菌效果依然不减。逢甲大学科学家指出, 以前的活性碳纤维布是让细菌吸附固定在纤维上, 经过几个小时, 碳纤维便能发挥抑菌效果。新一代活性碳纤维布的化学特性可以让细菌如同踩到地雷瞬间被杀死。新活性碳纤维布的独特之处还在于可以重复清洗100 次以上, 寿命长达3 至5 年, 用来做口罩, 比用即弃的N95 口罩更好。这种纤维布对其他细菌的抑制和杀灭功能尚待测试。据悉, 目前全球仅日本、俄罗斯、英国、中国大陆及中国台湾地区拥有活性碳纤维的制造技术。

2.2.3新型碳纤维复合芯导线

江苏远东集团和美国一家高科技公司联合开发的新型碳纤维复合芯导线获得成功, 产品己上市。据介绍, 与传统钢芯铝绞线相比, 碳纤维复合芯导线具有质量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、线损低、弛度小、与环境亲和等优点, 可提高传输容量1 倍, 减少20 %杆塔数, 减少有色金属消耗,降低传输损耗。该技术推广将有利于我国构造安全、环保、高效节约型输电网络。

2.2.4 碳纤维导电面料

俄罗斯柴可夫斯基纺织股份公司是专业防护服生产企业, 其产品用于食品医药业、建筑交通业、石化天然气行业的劳动防护。该公司最近开发出两种新型含碳丝导电面料, 这两种面料分别是“弗尼克斯—热防护”和“弗尼克斯—舒适”, 前者成分50 %为棉、50 %为耐热化纤, 每平方米质量为330 g; 后者为棉涤面料, 每平方米为280 g。这两种面料专用于石油、天然气行业工作服, 加入了碳纤维作为导电纤维, 而国际上同类产品通常加入金属丝作为导电纤维。这两种面料还都加有CI- BA公司的TEFLON 和PYROVATEX 涂层。

2.2.5碳纤维软质复合材料

日本创和纺织与东丽合纤产业集群碳纤维分科会携手开发的利用碳纤维织物与树脂的复合材

料“Carbon Cloth Soft Composite” 的碳纤维系列产品Carbon ClubTM (零钱夹、钥匙圈、印章盒、皮带等日用品、小杂物等) 上市。今后, 除了日用品、小饰品之外, 产品还将拓展至间隔材料、挂毯、墙壁装饰材料、百叶窗、窗帘等室内装饰材料领域。“Carbon Cloth Soft Composite”布比铁结实, 是碳纤维与耐久性良好的高柔软可挠性树脂的复合材料,防起毛性好。“Carbon Cloth Soft Composite”布是采用了创和纺织所有的碳纤维束整齐均一的排列平面织造技术和碳纤维分科会成员平松产业所持的特殊树脂在碳纤维织物上的均一粘合技术。这些技术不仅赋予碳纤维很高的物性, 而且实现了环氧树脂碳纤维等坚硬复合材料(硬质复合材料) 所不可能的裁剪、缝纫, 可与普通的布料和皮革同样使用,用途非常广泛。

3 碳纤维的发展趋势

3.1 国外碳纤维的发展趋势

自从碳纤维工业化生产以来，世界各国都特别重视其应用开发。随着价格不断降低，其应用范围从满足性能要求高的航空、航天领域逐步向文体和民用领域推广。目前，碳纤维的市场需求在北美、

欧洲、亚洲基本上呈鼎足之势。按应用领域划分，世界聚丙烯腈基碳纤维主要用于宇航、文体休闲用品、其它工业等领域，其总体消费比例分别为25.2%，31.4%，43.4%，不同地区各有侧重。

在增加根据美国体育用品制造商协会的最新统计数据，美国市场体育用品设备销售在2006 年总额约250 亿美元，这还不包括鞋子、机动车辆和举重器材。大量使用碳纤维复合材料的产品是高尔夫球槽、球拍、雪橇、滑雪板、曲棍球棒、钓鱼竿和自行车。生产上述7 种产品，制造商在2006 年的复合产品消费量估计为6710 吨左右。按此计算，2006年体育用品制造业所用的碳纤维占全球消费量的24%左右。但是，同过去相比，体育用品的碳纤维使用量占全球使用量的比例在逐渐降低，2004 年体育用品碳纤维用量占了大约31%。不过，体育用品使用碳纤维的绝对数仍在增加，在未来几年内，每年的增长预计平均为4.3%，到2009 年或2010 年，使用量将有可能超过唱片业的水平。

4 总结

碳纤维属高新技术、高附加值产品，具有其他材料不可比拟的优异性能，具有广泛的用途和良好的发展前景。随着我国经济的持续快速发展，碳纤维的市场需求与日俱增，发展我国的碳纤维工业具有重大的现实意义和深远的历史意义。因此，针对当前现状，必须加快我国碳纤维发展进程。

1）制订我国碳纤维发展的总体规划，考虑国内研制与国外引进相结合。碳纤维是一种可以形成庞大产业带的基础产品，并随其成本的降低而在金属、陶瓷、玻纤等材料的传统应用领域得到广泛应用。同时因其高科技含量，又可在一定时期形成相对垄断产品。因此，碳纤维及其复合材料的开发，可为企业带来长期、稳定的投资收益，是大企业较好的投资方向。

2）开发低成本碳纤维技术，特别是采用一般纺织用PAN 原丝生产工业级碳纤维和开发大丝束碳纤维［12］。碳纤维的价格是限制其推广应用的制约因素，降低碳纤维价格的关键是采用一般纺织用PAN 原丝生产工业级碳纤维和大丝束碳纤维，我国必须突破这些关键技术［11］。

3）解决碳纤维生产厂家小而散的问题，以提高竞争力。像日本3 家碳纤维公司的总产能占世界的75 %，而我国十几个厂家，每家最多100 t / a级，这样无法与国外竞争。

4）研究扩大碳纤维的应用范围，开发宇航级［13］与一般工业级的碳纤维和发展以T700为基础的军用碳纤维系列［14］。碳纤维要降低价格必须扩大用量，必须扩大碳纤维的应用范围。军用高性能碳纤维的用量毕竟是有限的，必须开发新的应用范围，包括交通运输、汽车、能源和土木建筑等领域。

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