中国碳纤维的现状与发展趋势

混凝土)
坏
拉伸剪切强度 （mpa）
＞20.0
压缩强度 （mpa）
＞50.0
弯曲强度 （mpa）
＞30.0
混合黏度（20℃ ＜5000cp(不流
时）
挂)
涂布量
0.6～1.0kg/m2 0.25～0.3kg/m2
适用期（20℃ 时）
＞90min
可使用时间
硬化时间（20℃ 时）
＜3.0h
指干时间（20℃ 时）
五、聚丙烯腈基碳纤维发展现况
5.1世界概况 1959年日本的进藤昭男发明了用聚丙烯腈(PAN）原丝生产碳纤维的 方法。1962年日本东丽公司开始生产，之后又积极研制用于生产碳纤维 的专用优质原丝。并于1967年成功生产T300PAN-CF。同时，英国皇家航
空研究所的watt等人对PAN纤维生产进行技术改进,随后英国考陶尔公司 (courtaulds)利用这项技术开始生产高强度、 高模量PAN基碳纤维。 1969年日本东丽公司研究成功特殊的单体共聚PAN基碳纤维。结合美国 联合碳化物公司（Union Carbide）的碳化技术, 生产出高强度、高模 量碳纤维。此后，美国、法国、德国也都引进或开发了PAN原丝及碳纤 维的生产# 原苏联开始主要研究以人造丝为原料制造碳纤维，后转向 PAN基碳纤维。另外，印度、南斯拉夫、以色列、韩国也在以PAN原丝制 取碳纤维方面开展了大量的研制工作。 日本东丽公司的碳纤维研发与 生产一直处于世界领先水平。
20世纪70年代末以来，国外许多以PAN纤维为原料制造碳纤维的厂 家在原料供应及碳纤维的生产、供销方面进行广泛合作与竞争，促进了 PAN基碳纤维工业的长足发展，特别是进入90年代以后，由于PAN基碳纤 维性能优越，应用领域日益扩展。目前世界PAN基碳纤维已进入发展旺 盛的成熟期，主要表现为。 （1）PAN基碳纤维产量急剧提高，生产规模大型化，产品价格下降。 （2）PAN基碳纤维生产工艺、设备、技术不断改进，碳纤维性能不断提 高。 （3）应用范围从少数高科技领域,军事部门扩展到整个工业民用的各个 部门。
中国碳纤维的现状与发展趋势
一、碳纤维简介
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。
聚丙烯腈基碳纤维的生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过 程。原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、 上油、烘干收丝等工序。碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、 高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。
根据产品规格的不同，碳纤维目前被划分为宇航级（aerospacegrade）和工业级(commercial-grade)两类,亦称为小丝束(smallstrand tow或small tow )和大丝束(large-strand tow或 large tow) 通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维.包括48K、60K、120K、360K和 480K等。宇航级碳纤维初期以1K、3K、6K为主。逐渐发展为14K和21K主 要应用于国防军工和高技术，以及体育休闲用品，像飞机、导弹、火 箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。工业级碳纤维应用于不同 民用工业，包括：纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源 等。
5.2国内状况 我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，历经近50年的漫长历 程。在此期间，由于国外把碳纤维生产技术列入禁运之列，严格控制封 锁，制约了我国碳纤维工业的发展。我国科技工作者发扬自力更生的精 神，从无到有，逐步建成了碳纤维的工业雏型。 20世纪70年代初突破 连续化工艺。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN 基碳纤维扩大试验生产线，生产能力为2t/a。20世纪80年代开展了高强 型碳纤维的研究，于1998年建成一条新的中试生产线，规模为40t/a。 我国主要研究单位有中科院山西煤化所、上海合纤所、北京化工大学、
二、碳纤维用途
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，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。
甲:乙=3:1
甲:乙=3:1
使用温度
10～35℃
20～40min 2h
七、发展趋势
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，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。
四、碳纤维生产方法 目前，工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈（PAN）基碳
纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。从粘胶纤维制取高力学性 能的碳纤维必须经高温拉伸石墨化，碳化收率低，技术难度大，设备复 杂，成本较高，产品主要为耐烧蚀材料及隔热材料所用。由沥青制取碳 纤维，原料来源丰富，碳化收率高，但因原料调制复杂，产品性能较 低，亦未得到大规模发展。由聚丙烯腈纤维原丝可制得高性能的碳纤 维，其生产工艺较其它方法简单，而且产品的力学性能优良，用途广 泛，因而自20世纪60年代问世以来，取得了长足的发展，成为当今碳纤 维工业生产的主流。
山东工业大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等。面 对国外在技术、设备、品种和性能等方面激烈竞争，迅速发展的局面。 我国碳纤维生产处于起步阶段，与国外相比有很大差距。无论产量、质 量均不能满足市场发展需求。目前国内小规模PAN基碳纤维生产企业和 科研院所共十余家，最大生产企业为吉化公司，生产能力100t/a，现有 装置生产总能力号称300t/a，实际年产量不足100t，且产品质量不稳 定，达不到T300的水平，目前制约我国碳纤维发展的首要原因是原丝质 量不过关，其它原因还有生产技术及设备等。
2.65
1.6
要技术
积层厚度 (mm)
0.2
积层厚度为 加入树脂后 其纤维体积 含量为50% 时的厚度
性能指 标
结构胶名称
jgn-c
jgn-p
作用
粘贴碳纤维专 用胶
与jgn-c配套使用的底胶
甲组分 外观
乙组分
白色蜡状膏体 无色透明液体
棕色液体
棕红色液体
粘接拉伸强度 （mpa）
＞30.0
粘接强度(混凝土- 混凝土破
业的需求增长较快，将成为碳纤维新的主要应用领域。 碳纤维是一种性能优越的结构材料，具有极高的附加值，自商品化
以来，应用范围已从最初的航空航天、军事部门逐渐向民用领域渗透。 目前已扩展到整个工业民用的多种领域，随着应用研究的不断深入，特 别是在民用方面仍将继续拓宽应用领域，扩大使用量。国外预测碳纤维 除了在航空航天以及体育用品进一步应用外，近年内包括纺织、土木建 筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。
六、消费与需求
6.1国外消费情况 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%和43.4% ，不同地区各有侧重。由于碳纤维复合材料具有 高比强度、设计性好、结构尺寸稳定性好、抗疲劳断裂性好和可大面积 整体成型，以及特殊的电磁性能和吸波隐身的特点，目前已大量用于生 产军用，民用飞机以及战略导弹和运载火箭上。需求量稳步增长。文体 用品方面，目前碳纤维材料已从钓鱼竿和高尔夫球棒推广到网球拍，羽 毛球拍，高尔夫球杆，冰雪运动器材，水上运动器材等方面。需求量稳 步，较快增长，其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿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发展比较迅速，包括基础设施的修 复、更新和加固。新能源开发如沿海油气田，深海油田的钻井平台，管 道和缆绳等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气瓶。电子领域的应用主要有通 信、广播、地球观测、空间探测以及各种飞行器的高精度天线。一般产
由此可见,当前世界碳纤维有如下发展趋势：产品性能趋向于高性 能化。价格将大幅度降低。航天航空和文体用品领域用量稳定增加，民 用工业用量增幅较大，已超过前两者。特别是随着大丝束碳纤维的大规 模生产，其价格将不断降低，民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋 势。
6.2国内消费情况 尽管我国碳纤维生产发展缓慢，但消费量却与日俱增，市场需求旺 盛。主要集中在文体用品和航空航天方面，一般产业需求增长也比较迅 速。国内碳纤维应用的主要领域有如下： 航空、航天及国防领域、飞机、卫星、火箭、导弹、雷达、体育休闲 品、高尔夫球、渔具、网球拍、羽毛球拍、箭杆、自行车、赛艇等新兴 市场碳纤维基增强工程塑料、压力容器、建筑补强等。 国内PAN基碳纤维材料加工业已初具规模，有一定的技术基础和市 场开发能力，市场需求比较旺盛，但碳纤维的生产远远不能满足市场需 求，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 用途还有待开发我国碳纤维未来的潜在消费市场，对碳纤维的需求量将 更大。因此，未来我国碳纤维的市场需求前景广阔，潜力极大。
1.34 4.5 12 13.6 9.1
恒天 亚砜一步法
1.20 4.6 15 14 10
每米重mg/m 沸水收缩% 回潮% 含油率%
1398 4 0.95 0.56
1606 4 0.99 0.57
1410 4 0.98 0.75
附三：结构加固修补用碳纤维材料（cfrp-t700s）主要性能指标
抗拉强度 弹性模量 （mpa） （mpa）
附一：国内主要生产厂家
公司名称
碳纤维原 碳纤维 丝（吨） （吨）
预浸布 （万平 方米）
最终消费 品
华皖碳纤维
600
山西恒天纺织新 200 纤维科技有限公 司
大连兴科碳纤维 有限公司
嘉兴中宝碳纤维
吉林东方神舟碳 纤维
吉林石化公司
山东光威集团 15
厦门扬大碳纤维 有限公司
山西煤化所
20
北京化工研究院
其它
40
合计
875
200
未投产
100
300 10
20
40
不祥
GOLF球
棒、钓鱼
杆等
不祥
GOLF球 棒、钓鱼 杆等
10
10
20
410
约1200
附二：原丝指标
工艺方法
线密度dtex 强度CN/dtex 强力CV值% 伸长% 伸长CV%
三菱 二甲基乙酰胺 两步法 1.18 5.59 12 11 9
旭化成 硝酸两步法
延伸率 （%）
密度 耐腐蚀 （g/cm3） 性
浸透性
均匀度
碳纤维织 物数据
5000 2.35×105 2.1 1.8
单位面积重 量(g/m2)
径向纤维
纬向纤维
220
碳纤维 尼龙线
径向重量比 纬向重量比 碳布宽度
例
例
(m来自百度文库)
%
%
99
1
610
优 良好 良好 附四：
径向密度 纬向密度
根/cm
根/cm
建筑结 构胶主
三、我国碳纤维发展史
我国自20世纪60年代开始碳纤维研究开发至今已有近50年的历史， 但进展缓慢，同时由于发达国家对我国几十年的技术封锁，至今没能实 现大规模工业化生产，工业及民用领域的需求长期依赖进口，严重影响 了我国高技术的发展，尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展，与 我国的经济社会发展进程极不相称。所以，研制生产高性能、高质量的 碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，扭转大量进口的局面，是当前 我国碳纤维工业发展的迫切任务。