碳纤维的相关知识

1、碳纤维2013级纺织工程胡家豪走进碳纤维碳纤维（碳纤维（carbon fibrecarbon fibre），是一种具有很高强度和模量的），是一种具有很高强度和模量的耐高温纤维，为化纤的高端品种。顾名思义，它不仅具有耐高温纤维，为化纤的高端品种。顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。它与传统的玻璃纤维（是新一代增强纤维。它与传统的玻璃纤维（GFGF）相比，杨）相比，杨氏模量（是描述固体材料抵抗形变能力的物理量）是其氏模量（是描述固体材料抵抗形变能力的物理量）是其3 3倍多；它与凯芙拉纤维（倍多

2、；它与凯芙拉纤维（KF-49KF-49）相比，不仅杨氏模量是）相比，不仅杨氏模量是其其2 2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在性出类拔萃。有学者在19811981年将年将PANPAN基基CFCF浸泡在强碱浸泡在强碱NaOHNaOH溶液中，时间已过去溶液中，时间已过去2020多年，它至今仍保持纤维形态。多年，它至今仍保持纤维形态。碳纤维的特点碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐密度低、比性能高，无蠕变，非氧

3、化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X X射线透过性好。射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。碳纤维的分类碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维；按性能可分为通用型、高碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维；按性能可分为通用型、高强型、中模高强型、高模型和超高模型碳纤维；按状态分为长

4、丝、短强型、中模高强型、高模型和超高模型碳纤维；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为强度为10001000兆帕、模量为兆帕、模量为100G100G帕左右。高性能型碳纤维又分为高强型帕左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度（强度20002000兆帕、模量兆帕、模量250G250G帕）和高模型（模量帕）和高模型（模量300G300G帕以上）。强度帕以上）。强度大于大于40004000兆帕的又称为超高强型；模量大于兆帕的又称为超高强型；模量大于450G450G帕的称为超高模型。帕的称为超高模型

5、。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，其延伸率大于大于2%2%。用量最大的是聚丙烯腈。用量最大的是聚丙烯腈PANPAN基碳纤维。市场上基碳纤维。市场上90%90%以上碳纤维以上碳纤维以以PANPAN基碳纤维为主。由于碳纤维神秘的面纱尚未完全揭开，人们还基碳纤维为主。由于碳纤维神秘的面纱尚未完全揭开，人们还不能直接用碳或石墨来制取，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙不能直接用碳或石墨来制取，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）为原料，将有机纤维与塑料树脂结合在一起丝、腈纶丝、人造丝等）为原料，将有机纤

6、维与塑料树脂结合在一起炭化制得碳纤维。炭化制得碳纤维。碳纤维的制备方式工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈（工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈（PANPAN）基）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类，但主要生碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类，但主要生产前两种碳纤维。由粘胶纤维制取高力学性能的碳纤维必产前两种碳纤维。由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，设备复须经高温拉伸石墨化，碳化收率低，技术难度大，设备复杂，原料丰富碳化收率高，但因原料调制复杂、产品性能杂，原料丰富碳化收率高，但因原料调制复杂、产品性能较低，亦未得到大规模发展；

7、由聚丙烯腈纤维原丝制得的较低，亦未得到大规模发展；由聚丙烯腈纤维原丝制得的高性能碳纤维，其生产工艺较其他方法简单，产量约占全高性能碳纤维，其生产工艺较其他方法简单，产量约占全球碳纤维总产量的球碳纤维总产量的90%90%以上。以上。碳纤维生产的产品u碳纤维自行车 碳纤维布u碳纤维板 碳纤维发热体u碳纤维加固 碳纤维复合材料u汽车材料碳纤维的应用领域碳纤维的发展前景国外世界碳纤维产量达到每年世界碳纤维产量达到每年4 4万吨以上，全世界主要是日本万吨以上，全世界主要是日本美国德国以及韩国等少数国家掌握了碳纤维生产的核心技美国德国以及韩国等少数国家掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。当前，

8、全球碳纤维核心技术被术，并且有规模化大生产。当前，全球碳纤维核心技术被牢牢掌控在少数发达国家手中。一方面，以美日为首的发牢牢掌控在少数发达国家手中。一方面，以美日为首的发达国家始终保持着对中国碳纤维行业严格的技术封锁；另达国家始终保持着对中国碳纤维行业严格的技术封锁；另一方面，国外碳纤维行业领先企业开始进入中国市场，中一方面，国外碳纤维行业领先企业开始进入中国市场，中国本土碳纤维企业的压力大增。虽然中国加大了对碳纤维国本土碳纤维企业的压力大增。虽然中国加大了对碳纤维行业的引导和扶持力度，但在较大的技术差距下，国产碳行业的引导和扶持力度，但在较大的技术差距下，国产碳纤维的突围之路仍然坎坷。纤维的

9、突围之路仍然坎坷。中国中国对碳纤维的研究开始于中国对碳纤维的研究开始于2020世纪世纪6060年代，年代，8080年代开始研究高强型碳年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入2121世纪以来发展世纪以来发展较快，安徽率先引进了较快，安徽率先引进了500500吨每年原丝、吨每年原丝、200200吨每年吨每年PANPAN基碳纤维，使基碳纤维，使中国碳纤维工业进入了产业化。随后一些地方相继加入碳纤维生产行中国碳纤维工业进入了产业化。随后一些地方相继加入碳纤维生产行列。列。从从20002000年开始中国碳纤维向技术多元化发展，放弃

10、了原来的硝酸法原年开始中国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。利用自主技术研制的少数国产功。利用自主技术研制的少数国产T700T700碳纤维产品已经达到国际同类碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。随着中国对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国产品水平。随着中国对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持。家化纤行业重点扶持。20052005年全球碳纤维市场仅为年全球碳纤维市场仅为9 9亿美元，而亿美元，而20132013年达到年达到100100

11、亿美元，预计到亿美元，预计到20222022年有望达到年有望达到400400亿美元，碳纤维复合材亿美元，碳纤维复合材料的应用也将进入全新的时代。中国碳纤维产业化采取自主开发和引料的应用也将进入全新的时代。中国碳纤维产业化采取自主开发和引进相结合的道路，到进相结合的道路，到“十一五十一五“末期基本实现了相当于日本末期基本实现了相当于日本T300T300的国的国产碳纤维规模生产线，并且有一些企业已形成了产碳纤维规模生产线，并且有一些企业已形成了T700T700以上水平的百吨以上水平的百吨生产线。生产线。20112011年中国碳纤维市场规模达到年中国碳纤维市场规模达到68116811吨，然而，受供应

12、不吨，然而，受供应不足的影响，国内碳纤维市场发展相对较为缓慢，预计未来足的影响，国内碳纤维市场发展相对较为缓慢，预计未来几年，随着供应量的提升，中国碳纤维行业的需求量也将几年，随着供应量的提升，中国碳纤维行业的需求量也将保持着较快速度的增长。保持着较快速度的增长。技术的落后直接导致中国碳纤维产品质量与进口产品之间技术的落后直接导致中国碳纤维产品质量与进口产品之间的明显差距，也极大地限制了国产碳纤维产品在高端领域的明显差距，也极大地限制了国产碳纤维产品在高端领域的应用。有数据显示，中国碳纤维产品在应用上集中于低的应用。有数据显示，中国碳纤维产品在应用上集中于低端领域，在碳纤维质量要求较高的航空航

13、天领域的应用比端领域，在碳纤维质量要求较高的航空航天领域的应用比例仅为例仅为3%3%，远远没达到国际上碳纤维行业在航空航天领域，远远没达到国际上碳纤维行业在航空航天领域应用占比的平均水平应用占比的平均水平; ;而在质量要求相对较低的运动休闲而在质量要求相对较低的运动休闲用品领域，碳纤维的应用比例却高达用品领域，碳纤维的应用比例却高达80%80%左右，四倍于国左右，四倍于国际上碳纤维在运动休闲用品领域应用的平均水平。但国产际上碳纤维在运动休闲用品领域应用的平均水平。但国产碳纤维落后的技术却制约着中国碳纤维行业健康稳健发展。碳纤维落后的技术却制约着中国碳纤维行业健康稳健发展。碳纤维自行车碳纤维自行

14、车（碳纤维自行车（Carbon BikeCarbon Bike）主要是中高档的竞赛用自）主要是中高档的竞赛用自行车，作为新兴材料，碳纤维主要应用于车架（碳架）、行车，作为新兴材料，碳纤维主要应用于车架（碳架）、前叉、轮组（碳刀车圈）等。前叉、轮组（碳刀车圈）等。碳纤维布碳纤维布又称碳素纤维布、碳纤布、碳纤维编织布、碳纤碳纤维布又称碳素纤维布、碳纤布、碳纤维编织布、碳纤维预浸布、碳纤维加固布、碳布、碳纤维织物、碳纤维带、维预浸布、碳纤维加固布、碳布、碳纤维织物、碳纤维带、碳纤维片材（预浸布）等碳纤维片材（预浸布）等 。碳纤维加固布是一种单向碳。碳纤维加固布是一种单向碳纤维加固产品，通常采用纤维加

15、固产品，通常采用12K12K碳纤维丝织造。碳纤维丝织造。碳纤维板碳纤维加固补强单向板材，其成型工艺是将碳纤维浸渍树碳纤维加固补强单向板材，其成型工艺是将碳纤维浸渍树脂后在模具内固化并连续拉挤成型。采用优质碳纤维原料脂后在模具内固化并连续拉挤成型。采用优质碳纤维原料与良好基本树脂，碳纤维板材具有拉伸强度高、耐腐蚀性、与良好基本树脂，碳纤维板材具有拉伸强度高、耐腐蚀性、抗震性、抗冲击性等良好性能。抗震性、抗冲击性等良好性能。碳纤维发热体碳纤维发热体是一种纯黑体材料，因此具有升温迅速、热碳纤维发热体是一种纯黑体材料，因此具有升温迅速、热滞后小、发热均匀、热辐射传递距离远、热交换速度快等滞后小、发热均

16、匀、热辐射传递距离远、热交换速度快等特点。工作过程中光通量远远小于金属发热体的电热管，特点。工作过程中光通量远远小于金属发热体的电热管，电热转换效率高达电热转换效率高达98% 98% 以上。打开电源后升温速度奇快，以上。打开电源后升温速度奇快，在在1-21-2秒时机体已经感到烫手，秒时机体已经感到烫手，5 5秒钟表面温度可达秒钟表面温度可达300-300-700700度。度。碳纤维加固碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种。碳纤碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种。碳纤维材料用于混凝土结构加固修补的研究始于维材料用于混凝土结构加固修补的研究始于8080年代美、日年代美、日等发达国

17、家。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截等发达国家。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。碳纤维复合材料碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成的结构材料碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成的结构材料简称碳纤维复合材料。简称碳纤维复合材料。汽车材料碳纤维材料也成为汽车制造商青睐的材料，在汽车内外装碳纤维材料也成为汽车制造商青睐的材料，在汽车内外装饰中开始大量采用。碳纤维作为汽车材料，最大的优点是饰中开始大量采用。碳纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大，重量仅相当于钢材的质量轻、强度大，重量仅相当于钢材

18、的20%20%到到30%30%，硬度却，硬度却是钢材的是钢材的1010倍以上。所以汽车制造采用碳纤维材料可以使倍以上。所以汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化，取得突破性进展，并带来节省能源的社会汽车的轻量化，取得突破性进展，并带来节省能源的社会效益。效益。航空航天领域碳纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能，广泛应用在碳纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能，广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天业。例如采用碳纤维火箭、导弹和高速飞行器等航空航天业。例如采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机、卫星、火箭等宇宙飞与塑料制成的复合材料制造的飞机、卫星、火箭等宇宙飞行器，不但推力大，噪音小；而且由于其质量较轻，所以行器，不但推力大，噪音小；而且由于其质量较轻，所以动力消耗少，可节约大量燃料。动力消耗少，可节约大量燃料。体育领域应用体育应用中的三项重要应用为高尔夫球棒、钓鱼竿和网球体育应用中的三项重要应用为高尔夫球棒、钓鱼竿和网球拍框架。其他的体育项目应用还包括钓鱼竿、羽毛球拍、拍框架。其他的体育项目应用还包括钓鱼竿、羽毛球拍、冰球棒、滑雪杖、射箭和自行车，同时，碳纤维还应用在冰球棒、滑雪杖、射箭和自行车，同时，碳纤维还应用在划船、赛艇、冲浪和其他的海洋运动项目中。划船、赛艇、冲浪和其他的海洋运