碳纖維:高強度高模量纖維-中文百科頻道

介紹

由碳元素組成的一種特種纖維。具有耐高溫、抗摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨微晶結構沿纖維軸擇優取向，因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等複合，制造先進複合材料。碳纖維增強環氧樹脂複合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是最高的。

簡史

1879年愛迪生曾用纖維素纖維，如竹、亞麻或棉紗為原料，首先制得碳纖維并獲得專利，但當時制得的纖維力學性能很低，工藝也不能工業化，未能獲得發展。

20世紀50年代初，由于火箭、航天及航空等尖端技術的發展，迫切需要比強度、比模量高和耐高溫的新型材料，另外，采用前驅纖維為原料經熱處理的工藝可制得碳纖維連續長絲，這一工藝奠定了碳纖維工業化的基礎。40多年來，碳纖維經曆的重大技術進展如下：

20世紀50年代初，美國Wright-Patterson空軍基地以黏膠纖維為原料，試制碳纖維成功，産品作火箭噴管和鼻錐的燒蝕材料，效果很好。1956年美國聯合碳化物公司試制高模量黏膠基碳纖維成功，商品名“Thornel—25”投放市場，同時開發了應力石墨化的技術，提高碳纖維的強度與模量。

20世紀60年代初，日本進藤昭男發明了以聚丙烯腈（PAN）纖維為原料制取碳纖維的方法，并取得了專利。1963年日本碳公司及東海電極公司用進藤的專利開發聚丙烯腈基碳纖維。1965年日本碳公司工業化生産普通型聚丙烯腈基碳纖維成功。1964年英國皇家航空研究中心（RAE）通過在預氧化時加張力試制出高性能聚丙烯腈基碳纖維。由Courtaulds公司，Hercules公司和Rolls—Royce公司采用RAE的技術進行工業化生産。

1965年日本大谷杉郎首先制成了聚氯乙烯瀝青基碳纖維，并發表了先驅性的瀝青基碳纖維的研究報告。

1969年日本碳公司開發高性能聚丙烯腈基碳纖維獲得成功。1970年日本東麗（Toray Textile Inc.）公司依靠先進的聚丙烯腈原絲技術，并與美國聯合碳化物公司交換碳化技術，開發高性能聚丙烯腈基碳纖維。1971年東麗公司将高性能聚丙烯腈基碳纖維産品（Torayca）投放市場。随後産品的性能、品種、産量不斷發展，至今仍處于世界領先地位。此後，日本東邦、旭化成、三菱人造絲及住友公司等相繼投入聚丙烯腈基碳纖維的生産行列。（見聚丙烯腈基碳纖維）

1970年日本吳羽化學工業公司采用大谷杉郎的專利，首先建成年産120t普通型（GPCF）瀝青基碳纖維的生産廠，1978年産量增到240t。該産品被用作水泥增強材料後，發現效果很好，1984年産量增至400t，1986年再次增加到900t。1976年美國聯合碳化物公司生産高性能中間相瀝青基碳纖維（HPCF）成功，年産量為113t，1982年增至230t，1985年增至311t。

1982年起，日本東麗、東邦、日本碳公司、美國Hercules、Celanese公司、英國Courtaulds公司等，先後生産出高強、超高強、高模量、超高模量、高強中模以及高強高模等類型高性能産品，碳纖維拉伸強度從3.5GPa提高到5.5GPa，小規模産品達7.0GPa。模量從230GPa提高到600GPa，這是碳纖維工藝技術的重大突破，使應用開發進入一個新的高水平階段。

1981年起瀝青科學取得重大進展，開發出幾種調制中間相瀝青的新工藝，如日本九州工業試驗所的預中間相法，美國EXXON公司的新中間相法，日本群馬大學開發的潛在中間相法，促進了高性能瀝青基碳纖維的開發。随後日本三菱化成化學公司、大阪煤氣公司、新日鐵公司陸續建成一批不同規格的高性能碳纖維生産廠。其特點是模量增高的同時也增高強度。20世紀80年代是瀝青基碳纖維的興旺發展時期。

黏膠基碳纖維自20世紀60年代中期以後沒有發展，僅生産少量産品供軍工及特種部門使用。

工藝

現代碳纖維工業化的路線是前驅纖維炭化工藝法，所用3種原料纖維的組成、碳含量等見表。

制造碳纖維用的原纖維名稱化學組分碳含量/%碳纖維收率/%黏膠纖維（C6H10O5）n4521～35聚丙烯腈纖維(C3H3N)n6840～55瀝青纖維C，H9580～90

采用這3種原纖維制造炭纖維的流程都包括：穩定化處理（在200～400℃空氣，或用耐燃試劑等化學處理），碳化（400～1400℃，氮氣）和石墨化（1800℃以上，氩氣氣氛下）。為了提高炭纖維與複合材料基質的粘接性能需進行表面處理、上漿、幹燥等工序。

另一種制造碳纖維的方法是氣相生長法。将甲烷與氫的混合氣體在催化劑的存在下，于1000℃高溫下反應，可制得不連續的短切碳纖維，最大長度可達50cm。其結構不同于聚丙烯腈基或瀝青基碳纖維，易石墨化，力學性能良好，導電性高，易形成層間化合物。（見氣相生長炭纖維）

分類及命名

現在碳纖維的主要産品有聚丙烯腈基，瀝青基及黏膠基3大類，每一類産品又因原纖維種類、工藝及最終碳纖維性能等不同，又分成許多品種。“碳纖維”一詞實際上是多種碳纖維的總稱，因此分類及命名就十分重要。

20世紀70年代末期，國際理論與應用化學聯合會（IUPAC）曾對炭纖維的分類和命名作了規定。首先用PAN（聚丙烯腈），MP（中間相瀝青）及VS（黏膠）表示碳纖維的類别，再以小寫英文字母表示熱處理溫度如lht（表示熱處理溫度，低于1400℃），hht（熱處理溫度在2000℃以上），然後再加上表示性能的符号（如HT表示高強、HM高模、SHT超高強、HTHS高強高應變、IM中模及UHM超高模等）。同時指出，聚丙烯腈基，黏膠基及普通型瀝青基碳纖維均屬難石墨化的聚合物炭，而中間相瀝青基炭纖維及氣相生長的碳纖維是易石墨化碳。

在第三次國際碳纖維會議上（1985年，倫敦），曾建議按力學性能将碳纖維分成下列5級。

超高模量級（UHM）：模量在395GPa以上；

高模量級（HM）：模量在310～395GPa間；

中模量級（IM）：模量在255～310GPa間；

超高強度級（UHT）：強度在3.5GPa以上，

模量在255GPa以下；

高強度級（HT）：強度達3.5GPa。

這兩種分級法都有不足之處。現在高性能碳纖維産品分類由制造商自行标明：原纖維種類、單絲孔數、直徑、排列方式（如平行、纏結、加撚等），有無表面處理（及其種類），有無上漿（及漿劑種類）等。一些重要的高性能商品名稱及性能，可見聚丙烯腈基炭纖維和瀝青基炭纖維。

發展展望

20世紀90年代初，高性能及超高性能炭纖維已問世，預料今後工作将緻力于完善工藝、擴大生産、降低成本和開發應用。一些特種碳纖維，如抗氧化碳纖維（以提高複合材料的使用溫度）、低纖度碳纖維（做0.035mm超薄型預浸帶用）、高導熱低電阻碳纖維（以滿足屏蔽電磁、射頻幹擾用，并可散發多餘的熱能）、低熱膨脹系數碳纖維（供衛星天線系統、反射鏡等用），中空碳纖維（用于飛機制造工業，提高複合材料的沖擊韌性，核反應堆中的高溫過濾介質，分離生物分子血清和血漿用的介質）和活性碳纖維，随着科學及工程的發展會有很大發展。氣相生長碳纖維近期内在穩定工藝，連續化生産方面會有明顯進展，工業化生産的日期預料不會太遠。

發展前景

國外

世界碳纖維産量達到每年4萬噸以上，全世界主要是日本美國德國以及韓國等少數國家掌握了碳纖維生産的核心技術，并且有規模化大生産。

當前，全球碳纖維核心技術被牢牢掌控在少數發達國家手中。一方面，以美日為首的發達國家始終保持着對中國碳纖維行業嚴格的技術封鎖；另一方面，國外碳纖維行業領先企業開始進入中國市場，中國本土碳纖維企業的壓力大增。雖然中國加大了對碳纖維行業的引導和扶持力度，但在較大的技術差距下，國産碳纖維的突圍之路仍然坎坷。

中國

中國對碳纖維的研究開始于20世紀60年代，80年代開始研究高強型碳纖維。多年來進展緩慢，但也取得了一定成績。進入21世紀以來發展較快，安徽率先引進了500噸每年原絲、200噸每年PAN基碳纖維，使中國碳纖維工業進入了産業化。随後一些地方相繼加入碳纖維生産行列。

從2000年開始中國碳纖維向技術多元化發展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術獲得成功。利用自主技術研制的少數國産T700碳纖維産品已經達到國際同類産品水平。随着中國對碳纖維的需求量日益增長，碳纖維已被列為國家化纖行業重點扶持。

2005年全球碳纖維市場僅為9億美元，而2013年達到100億美元，預計到2022年有望達到400億美元，碳纖維複合材料的應用也将進入全新的時代。中國碳纖維産業化采取自主開發和引進相結合的道路，到“十一五“末期基本實現了相當于日本T300的國産碳纖維規模生産線，并且有一些企業已形成了T700以上水平的百噸生産線。

2011年中國碳纖維市場規模達到6811噸，然而，受供應不足的影響，國内碳纖維市場發展相對較為緩慢，預計未來幾年，随着供應量的提升，中國碳纖維行業的需求量也将保持着較快速度的增長。

技術的落後直接導緻中國碳纖維産品質量與進口産品之間的明顯差距，也極大地限制了國産碳纖維産品在高端領域的應用。有數據顯示，中國碳纖維産品在應用上集中于低端領域，在碳纖維質量要求較高的航空航天領域的應用比例僅為3%，遠遠沒達到國際上碳纖維行業在航空航天領域應用占比的平均水平，而在質量要求相對較低的運動休閑用品領域，碳纖維的應用比例卻高達80%左右，四倍于國際上碳纖維在運動休閑用品領域應用的平均水平。但國産碳纖維落後的技術卻制約着中國碳纖維行業健康穩健發展。

應用領域

碳纖維是發展國防軍工與國民經濟的重要戰略物資，屬于技術密集型的關鍵材料，随着從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學術研究，使用碳纖維制作發熱材料的技術和産品也逐漸普及。在當今世界高速工業化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化。中國已經有使用長纖作為高性能纖維的一種，在要求高溫，物理穩定性高的場合，碳纖維複合材料具備不可替代的優勢。

材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，正是由于兼具優異性能，碳纖維在國防和民用領域均有廣泛的應用前景。

碳纖維碳材料已在軍事及民用工業的各個領域取得廣泛應用。從航天、航空、汽車、電子、機械、化工、輕紡等民用工業到運動器材和休閑用品等。碳纖維增強的複合材料可以應用于飛機制造等軍工領域、風力發電葉片等工業領域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車闆簧和驅動軸等。球棒等體育領域。碳纖維是典型的高科技領域中的新型工業材料。

複合材料

碳纖維在傳統使用中除用作絕熱保溫材料外。多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成複合材料。碳纖維已成為先進複合材料最重要的增強材料。由于碳纖維複合材料具有輕而強、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩定性好以及設計性好、可大面積整體成型等特點，已在航空航天、國防軍工和民用工業的各個領域得到廣泛應用。

碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是制造先進複合材料最重要的增強材料。

土木建築

土木建築領域：碳纖維也應用在工業與民用建築物、鐵路公路橋梁、隧道、煙囪、塔結構等的加固補強，在鐵路建築中，大型的頂部系統和隔音牆在未來會有很好的應用，這些也将是碳纖維很有前景的應用方面。

具有密度小，強度高，耐久性好，抗腐蝕能力強，可耐酸、堿等化學品腐蝕，柔韌性佳，應變能力強的特點。用碳纖維管制作的桁梁構架屋頂，比鋼材輕50%左右，使大型結構物達到了實用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外，碳纖維做補強混凝土結構時，不需要增加螺栓和鉚釘固定，對原混凝土結構擾動較小，施工工藝簡便。

航空航天

碳纖維是火箭、衛星、導彈、戰鬥機和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰略基礎材料。将碳纖維複合材料應用在戰略導彈的彈體和發動機殼體上，可大大減輕重量，提高導彈的射程和突擊能力，如美國80年代研制的洲際導彈三級殼體全都采用碳纖維和環氧樹脂複合材料。

碳纖維複合材料在新一代戰鬥機上也開始得到大量使用，如美國第四代戰鬥機F22采用了約為24%的碳纖維複合材料，從而使該戰鬥機具有超高音速巡航、超視距作戰、高機動性和隐身等特性。美國波音推出新一代高速寬體客機的音速巡洋艦，約60%的結構部件都将采用強化碳纖維塑料複合材料制成，其中包括機翼。

中國自行研制的碳纖維複合材料刹車預制件性能達到國際水平。采用這一預制件技術所制備的的國産碳和碳刹車盤已批量裝備于國防重點型号的軍用飛機，并在B757型民航飛機上使用，在其它機型上的使用也在實驗考核中，并将向坦克、高速列車、高級轎車、賽車等推廣使用。碳纖維比鋁輕但強度相似。碳纖維在艦艇上也有重要的應用價值，可減輕艦艇的結構重量，增加艦艇有效載荷，從而提高運送作戰物資的能力，碳纖維不存在腐蝕生鏽的問題。

由于使用碳纖維材料可以大幅降低結構重量，因而可顯着提高燃料效率。采用碳纖維與塑料制成的複合材料制造的飛機以及衛星、火箭等宇宙飛行器，噪音小，而且因質量小而動力消耗少，可節約大量燃料。據報道，航天飛行器的質量每減少1kg，就可使運載火箭減輕500千克。

碳纖維還是讓大型民用飛機、汽車、高速列車等現代交通工具實現“輕量化“的完美材料。航空應用中對碳纖維的需求正在不斷增多，新一代大型民用客機空客A380和波音787使用了約為50%的碳纖維複合材料。波音777飛機利用碳纖維做結構材料，包括水平和垂直的橫尾翼和橫梁稱為重要結構材料，所以對其質量要求極其苛刻。

波音787的機身也采用碳纖維，這使飛機飛得更快，油耗更低，同時能增加客艙濕度，讓乘客更舒适。空客也在他們的飛機上使用了大量的碳纖維，碳纖維将被大量應用在新型客機A380上。這使飛機機體的結構重量減輕了20%，比同類飛機可節省20%的燃油，從而大幅降低了運行成本、減少二氧化碳排放。

汽車材料

碳纖維材料也成為汽車制造商青睐的材料，在汽車内外裝飾中開始大量采用。碳纖維作為汽車材料，最大的優點是質量輕、強度大，重量僅相當于鋼材的20%到30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。所以汽車制造采用碳纖維材料可以使汽車的輕量化，取得突破性進展，并帶來節省能源的社會效益。業界認為，碳纖維在汽車制造領域的使用量會變大。

纖維加固

碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維闆加固兩種。碳纖維材料用于混凝土結構加固修補的研究始于80年代美、日等發達國家。中國的這項技術起步很晚，但随着中國經濟建設和交通事業的飛速發展，現有建築中有相當一部分由于當時設計荷載标準低造成曆史遺留問題，一些建築由于使用功能的改變，難以滿足當前規範使用的需求，亟需進行維修、加固。

常用的加固方法有很多，如：加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、碳纖維加固法等。碳纖維加固修補結構技術是繼加大混凝土截面、粘鋼之後的又一種新型的結構加固技術。

中國從1997年開始從國外引進碳纖維複合材料加固混凝土結構技術研究。成為了研究和工程應用的熱點。國内已有數十個高校和科研院所開展了此項研究工作，并取得了一批接近國際先進水平的研究成果。由于中國具有世界上最為巨大的土木建築市場，碳纖維加固建築結構的應用将呈現不斷增長的的趨勢。

體育用品

碳纖維在運用在運動休閑領域中，像球杆、釣魚竿、網球拍羽毛球拍、自行車、滑雪杖、滑雪闆、帆闆桅杆、航海船體等運動用品都是碳纖維的主要用戶之一。碳纖維運用在日常用品，像音響、浴霸、取暖器等家用電器以及手機、筆記本電腦等電子産品也可以看到碳纖維的身影。

體育應用中的三項重要應用為球棒和球拍框架。據估計每年的球棒的産量為3400萬副。全世界40%的碳纖維球棒都是由碳纖維制成的。全世界碳纖維釣魚杆的産量約為每年2000萬副。網球拍框架的市場容量約為每年600萬副，其它的體育項目應用還包括冰球棍、滑雪杖等。碳纖維還應用在劃船、賽艇等其它海洋運動中。

主要産品

碳纖維除了用于航空航天領域、國防軍事領域和體育用品外，汽車構件、風力發電葉片、建築加固材料、增強塑料、鑽井平台等碳纖維新市場也被正在運用。此外還運用在壓力容器、醫療器械、海洋開發、新能源等領域。

碳纖維的其它應用包括機器部件、家用電器及與半導體相關的設備的複合材料的生産，可以用來起到加強、防靜電和電磁波防護的作用。另外，在X射線儀器上碳纖維的應用可以減少人體在X射線下的暴露。

壓力容器

壓力容器采用碳纖維複合材料制作，主要用在汽車的壓縮天然氣罐上，而且還用在救火隊員的固定式呼吸器上。CNG罐源于美國和歐洲國家，日本和其他的亞洲國家也對這項應用表現出了極大的興趣。

風力發電機葉片

世界上風力發電機組的發電機額定功率越來越大，與其相适應的風機葉片尺寸也越來越大。為了減少葉片的變形，在主乘力件如軸承和葉片的某些部位采用碳纖維來補充其剛度。中國‘十五’期間的風機裝機總容量已達到1。5G瓦，因而碳纖維在風力發電機葉片上的應用前景看好。

碳纖維在風能、核能和太陽能等新能源領域也具有廣闊的應用前景。當風力發電機功率超過3MW，葉片長度超過40米時，傳統玻璃纖維複合材料的性能已經趨于極限，采用碳纖維複合材料制造葉片是必要的選擇。隻有碳纖維才能既減輕葉片的重量，又能滿足強度和剛度的要求。

碳纖維布

碳纖維布又稱碳素纖維布，碳纖布，碳布，碳纖維織物，碳纖維帶，碳纖維片材（預浸布）等。碳纖維布是一種單向碳纖維産品，通常采用12K碳纖維絲織造。重量最輕的是1K碳布，中國碳纖維車架單車、三角架基本使用3K碳布。1K碳纖維管材由于從碳絲的等級，樹脂的成分，碳布的密度，成型的壓力溫度等等工藝都非常嚴格，1K碳布價格是3K碳布的3倍。

可提供兩種厚度：0.111mm（200g）和0.167mm（300g）。碳纖維布強度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固構件自重及截面尺寸。碳纖維廣泛适用于建築物橋梁隧道等各種結構類型、結構形狀的加固修複和抗震加固及節點的結構加固。