——今日化学结课论文——
碳纤维复合材料的发展与应用探究
化学与化学工程学院 应用化学 09338004
【摘要】碳纤维复合材料（CFRP）作为一种先进的复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大、
热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器材和体育用品方面也广泛采用。文章通过对碳纤维的分类，特性，生产工艺，应用领域等作了一番综述，以便让读者对碳纤维有个简要而全面的了解。最后对国内国为碳纤维复合材料市场的问题与前景进行了较深入探讨。
【关键词】碳纤维复合材料 分类 特性 生产工艺 应用领域 发展前景
碳纤维，又称碳化纤维，泛指一些以碳纤维编织或多层复合而成的材料，其主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5至8微米。在原子层面的碳纤维跟石墨很相近，是由一层层以六角型排列的碳原子所构成。两者差别在于层与层之间的连结。石墨是晶体结构，它的层
1 间连结松散，而碳纤维不是晶体结构，层间连结是不规则的，这样便防止滑移增强物质强度。○
碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的“比强度”。碳纤维属于聚合物碳，是有机纤维经固相反应转变为纤维状的无机碳化合物。碳纤维是一种新型非金属材料，它和它的复合材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、比重小和热胀胀系数小等优异性能，碳纤维单独使用时主要是利用其耐热性、耐蚀性、导电性和其它性质。因此有很广泛的应用领域。
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一． 碳纤维的分类
碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得，可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基3种碳纤维，将原丝纤维加热至高温后除杂获得。目前，PAN碳纤维市场用量最大；
按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；
根据原丝类型分类按力学性能可分为高模量（模量300GPa以上）、超高模量（模量大于450GPa）、高强度（强度2000MPa、模量250GPa）和超高强度（强度大于4000MPa）4种碳纤维。
2 随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2％；○
按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维，其中小丝束初期以1K、3K、6K（1K为1000根长丝）为主，逐渐发展为12K和24K，大丝束为48K以上，包括60K、120K、360K和480K等。
二． 碳纤维的特性
碳纤维的主要性能有如下几方面：
(1)密度小、质量轻，密度为1.5～2克/立方厘米，相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2；
(2) 力学性能优异，强度、弹性模量高，其强度比钢大4-5倍，弹性回复l00%；树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，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。
(3)具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂；
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(4)导电性好，20C时高模量纤维为775μΩ/cm，高强度纤维为1500μΩ/cm；
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(5)耐高温和低温性好，在3000。C非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；
(6)耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。
通常，碳纤维不单独使用，而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料，该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到了广泛应用。
三． 碳纤维生产工艺
通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体—原丝—预氧化丝—碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法。
1）干喷湿纺法
干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条，纺出的纤维体密度较高，表面平滑无沟槽，且可实现高速纺丝，用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。与纯湿纺相比，干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮芯结构的原丝，大幅提高了纤维的抗拉强度，可生产细特化和均质化的高性能碳纤维。
2） 射频法
PAN原丝经过预氧化、碳化到石墨化，主要受到牵伸状态下的温度控制。在这一形成过程中达到纤维定型、碳元素富集，分子结构从聚丙烯腈高分子结构—乱层的石墨结构—三维有序的石墨结构。国内有自主知识产权的“射频法碳纤维石墨化生产工艺”开辟了碳纤维生产的创新之路，它采用射频负压软等离子法预氧化PAN原丝，接着用微波加热法碳化，最后用射频加热法石墨化形成小丝束碳纤维。
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四． 应用领域
碳纤维是军事工业用量大、使用面广、地位极为重要的关键性高性能纤维材料，是各类军用高强、高模、高强高模型复合材料的原料及技术基础。以碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在军机、导弹、运载火箭和卫星飞行器上发挥着不可替代的作用，是一种战略性新材料。
由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，在民用领域也得到广泛应用，被广泛应用于土木建筑、风力发电、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域，其市场规模不断扩大。碳纤维还在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用，主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极，在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。
五． 碳纤维的发展前景
I国内外发展现状
目前世界各国发展的主要是PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。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。PAN基碳纤维是当今世界碳纤维发展的主流，占世界碳纤维市场的90%以上。国际上PAN基碳纤维的生产，从20世纪60年代
3 起步，经过70～80年代的稳定，90年代的飞速发展，到21世纪初生产工艺技术已经成熟。○
我国聚丙烯腈基碳纤维的研究开发始于20世纪60年代，当时由于碳纤维作为重要的军工产品，国外对我国进行严格技术封锁，使得当时我国聚丙烯腈基碳纤维基本上以自主研究开发为主。吉林石化公司在采用硝酸一步法生产原丝的基础上，研究开发出性能基本接近T300的碳纤维，但该法对环境污染较大，因而现已放弃。由于种种原因我国碳纤维发展缓慢，表现为生产规模小、产品质量不稳定、产品规格少、品种单一、没有高性能产品、技术设备落后，大多没有形成规模效益，这些成为制约我国碳纤维发展的瓶颈。
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近些年来，随着我国整体实力的不断提升，对碳纤维的需求量也与日俱增，而我国碳纤维现阶段大部分依赖进口，而且无论是质量还是规模与国外相比差距都很大。尽管目前国际社会碳纤维的制造技术与产品对华出口有所松动，通用级碳纤维进口渠道已经开通，但高性能碳纤维对我国依然限制。由于我国对碳纤维需求的日益增加，聚丙烯腈基碳纤维又成为国内新材料业研发的热点。
当前我国碳纤维发展面临的主要问题是：第一，高端碳纤维产业落后。国产碳纤维目前规模虽达万吨级，产量也有数千吨，但只能用在飞机非承力件和次承力件上，而飞机最关键的承力件所需T800级碳纤还停留在实验室数十千克的水平，大飞机应用尚需依靠进口。国内碳纤维应用技术和解决方案与国外相比差距较大，比如碳纤维设计载荷的合理取法落后，不能体现碳纤维特性。第二，碳纤维复合材料部件的一体化成型技术相对落后，难以制造大尺寸部件。第三，我国自动化工艺如自动铺丝技术等更为落后。第四，国产高性能碳纤维因设备靠进口、生
4 产效率低而价格高企。○
II碳纤维市场分析
1）世界碳纤维市场
美国、欧洲和日本是碳纤维复合材料的主要消费地区，未来几年亚洲地区的需求将快速增长。2006年全球CF市场需求在2.8万t左右，世界碳纤维的消费结构仍然集中在工业应用、航天航空和体育休闲三个方面，工业应用约占总消费量的58%；航空航天方面应用约占23%，体育运动器材应用约占19%。
从2004年起，碳纤维市场突然紧缺，出现了供不应求局面，价格随之急剧上涨。北美及欧洲是碳纤维的主要需求地，两地的需求量约占全球总需求量的2/3。碳纤维需求扩大的背景包括两个方面：一是越来越的民用飞机制造商将碳纤维作为机体材料；二是碳纤维在风力发电、液化气罐、自行车、体育用品等领域的用途正在逐渐扩大。 随着航空航天、体育休闲和工业应用对碳纤维的需求大幅度增加，全球碳纤维市场正以平均每年两位数的速度快速增长。综合产能和需求变化，全球碳纤维行业在未来几年中仍可维持两位数的增长，且供小于求。
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2）中国碳纤维市场
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。近年来，随着市场需求的增加，特别是国防、 军工、航天航空、体育用品方面的需求增加，每年主要依靠从国外进口碳纤维以满足要求，据统计1996-2002年国内碳纤维消费年均增长率超过20%，2007年国内的市场需求量约为3500 t/a，主要依靠进口。国内碳纤维主要应用领域见表5-1。
表5-1 国内碳纤维主要应用领域
类别 成熟市场 新兴市场 待开发市场
应用领域 航空、航天及国防领域：飞机、卫星、火箭、导弹、雷达等 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 碳纤维基增强工程塑料、压力容器、建筑补强、风 力发电叶片、摩擦材料、深海油田的钻进平台等 汽车零部件、医疗机械等 中国国内PAN基碳纤维的消耗量远大于生产量，碳纤维的生产远远不能满足市场需求，需大量进口。通过对国内市场需求进行广泛深入的调研发现，近几年体育和休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的年需求量迅速增长，从我国航空航天技术的发展来看，也急需高性能碳纤维及其复合材料。国内碳纤维生产消耗状况与国际预测的情形基本一致。
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，如碳纤维在工程修补增强方面、飞机和汽车刹车片、汽车和其他机械零部件的应用以及电子设备套壳、集装箱、 医疗器械、深海勘探和新能源的开发等方面都将是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，必须加快我国碳纤维制备技术的开发和规模化工业化生产的步伐，才能缓解我国国防和工业对碳纤维需求紧缺和依靠进口的现状。
参考文献：
1 http://www.hebshengjia.com/ 河北圣佳电子科技 《碳纤维复合材料知识普及》 ○
2http://www.baike.http://www.wodefanwen.com/ 百度百科〉碳纤维 ○
3《中国碳纤维产业调研报告》 ○
4 http://www.surfactant .com/ 中国表面活性剂网〉院士（杜善义）寄望碳纤维复合材料有突破 ○
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