碳纖維的發展及其應用現狀

張健 揣雪冰(吉林石化公司碳纖維廠聚合車間，吉林 132000)

碳纖維的發展及其應用現狀

張健 揣雪冰(吉林石化公司碳纖維廠聚合車間，吉林 132000)

碳纖維以其優異的性能被世界各個國家所重視，相關研究結果表明，碳纖維的強度、模量以及密度等方面相對金屬材料，其優勢十分巨大。本文介紹了目前碳纖維國外以及國內的發展歷史與生產現狀，并分析了目前碳纖維材料的主要應用領域為航天航空、體育用品以及汽車三大領域，同樣在其他領域中也有著廣泛的應用。現如今碳纖維材料的應用已經成為重要替代材料之一。

碳纖維；發展現狀；應用

碳纖維指的是通過將有機母體纖維經過高溫（1000℃-3000℃）、惰性氣體保護下，以高溫分解與碳化的方式形成含碳量在90%以上的一種無機高分子材料。其有著優秀的力學性能，雖然其比重只有鋼材的四分之一，但其抗拉伸強度可達到鋼的7倍以上，并且其有著巨大的耐高溫性能，在2000℃并運用惰性氣體對材料進行保護環境下，碳纖維是目前已知所有材料中強度唯一不下降的材料，碳纖維的優勢是鋼以及其他合金金屬無法比擬的。另外碳纖維還具備高度耐腐蝕、減震等效果。目前碳纖維已經成為我國經濟以及國防建設必不可少的材料之一，其在國際上也有著“黑色黃金”之稱。

1 碳纖維的發展歷史

1.1 碳纖維的國外發展歷程

碳纖維的發現最找起源于18世紀中期，英國著名發明家斯旺與美國發明家愛迪生通過利用竹子以及纖維素制造了最早的碳纖維，并且將之用于電燈的燈絲中。直到上個世紀50年代，美國科學家開始對粘膠基碳纖維進行深入研究，并且于1959年生產出了“T hormei-25”粘膠基碳纖維。同年日本科學家藤昭男在全球范圍內第一個發明了聚丙烯晴基碳纖維。1962年日本東麗公司開始從碳纖維原絲的角度進行研究，于1967年研制成功了T300聚丙烯晴機碳纖維。1966年，英國著名材料研究所，皇家航空研究所通過對碳纖維技術進行改良，從而研發了一套完整的高強度、高模量的PAN基碳纖維的全新途徑，直到1969年，如本動力公司世界率先研發了特殊單體共聚而成的PAN基碳纖維原絲，并結合當時美國的碳纖維生產技術，生產出當時具備最高強度、模量的碳纖維。由此在世界范圍內激發了研究碳纖維的浪潮。同期，美、德等國家也通過引進其他國家先進碳纖維技術自主進行原絲以及碳纖維的研發。但從目前國際對碳纖維的研發以及生產實際情況來看，東麗公司依然是世界碳纖維研發與制造的領導者。

1.2 國內碳纖維的發展歷程

相對與碳纖維研發與制造發達國家，碳纖維在我國的發展相對較晚，并且無論是研發成果還是制造工藝，同發達國家相比還存在一定差距。我國碳纖維的研發開始于上個世紀60年代，并且在1976年成功建設了年生產在2t/a的碳纖維實驗生產線，其坐落在山西煤化所。直到80年代，我國開始注重高強度、高模量的碳纖維研究。在1988年我國成功建設成產能在40t/a的中試線。目前在國內PAN基碳纖維生產水平相對較高的企業主要有大連興科碳纖維有限公司以及中石油吉化公司等。

2 碳纖維的應用現狀

2.1 航空領域

截止2015年末，航空航天對碳纖維的需求增長了90%，達到11.3萬噸，預計到2020年，僅航空航天領域對碳纖維的需求將達到2萬噸。碳纖維成為航空航天多部件的主要材料，廣泛應用于發動機、渦輪等部位。根據相關數據表明，在小型直升飛機以及小型商務飛機中，碳纖維材料占飛機材料比重的45%左右，運用飛機碳纖維材料占比達到35%左右。在民用航天中，空客在A380大型飛機中所使用的碳纖維材料占據整個飛機比重的20%左右。我國商務飛機C919中碳纖維所占比重也達到25%。在航天領域上，碳纖維材料的應用更加廣泛，在導彈、火箭等發射筒以及發動機、防熱層中都出現碳纖維的身影。大大降低了航天器的質量，提升了航天器的運輸能力。

2.2 體育領域

體育領域目前是碳纖維的第二大消耗領域，近年來體育領域每年消耗碳纖維達到5千噸，自2006年到2015年之間，體育領域對碳纖維的需求每年保持3%的增長速度。碳纖維在體育用品領域的應用主要集中于高爾夫球桿、魚竿、自行車、滑雪板等高檔體育用品。相對于傳統金屬材料用品，碳纖維材料可減重最高達50%以上。目前我國于2009年建設成第一家碳纖維自行車廠商，相對鋁金屬材質，碳纖維自行車降低總體質量40%。

2.3 汽車領域

隨著人們對汽車要求的越來越高，汽車的輕量化與安全化、發動機效率的高效化已經成為當代汽車消費的主要參考因素之一，碳纖維材料則成為了理想的結構材料。目前碳纖維廣泛應用于汽車發動機的推桿、連桿、傳動軸等多部件中，另外在汽車加速器、底盤懸置件、車門等多部件也有很大應用。2015年全年，僅我國汽車行業對碳纖維材料的需求便已經達到3.5千噸，預計到2020年，汽車行業對碳纖維的需求將達到一萬噸。

2.4 其他領域

除上述三大領域外，碳纖維材料由于其強大的物理性能廣泛應用于其他行業中，例如在風力發電中，碳纖維廣泛應用于分離發電機的葉片的制造。在建筑領域，體碳纖維應用于屋頂、混凝土、橋梁等建筑物。在石油領域中應用于石油抽油桿、石油運輸管道、鉆井平臺等領域。總之，碳纖維由于其眾多優勢在各行各業中都有著巨大引用前景，碳纖維材料必然將成為未來主要材料。

[1]李建利,張新元,張元,王海濤,趙領航.碳纖維的發展現狀及開發應用[J].成都紡織高等專科學校學報,2016(2).

[2]趙碎彬,魯盈.碳纖維的發展及其應用現狀[J].求知導刊, 2016(1).