碳纖維的發展前景

溫佳琪

摘 要：碳纖維復合材料是以樹脂為基體，碳纖維為增強體的復合材料，它問世于二十世紀四五十年代，經過近70年的發展，現在已經在各行各業成為了一種重要的新型材料。碳纖維按照原絲類型可以分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維等，由于結構上的差別，不同類型的碳纖維有著各自獨特的優勢，在航空航天、汽車、體育等領域有著良好的應用前景。

關鍵詞：碳纖維；新型材料；樹脂復合材料

中圖分類號：TQ342 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0227-02

1 碳纖維的發展歷史及現狀

碳纖維復合材料（CFRP）是以樹脂為基體，碳纖維為增強體的復合材料。碳纖維具有碳材料的固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代軍民兩用的增強纖維，其優異的綜合性能是任何單一材料無與倫比的。

碳纖維復合材料問世于二十世紀四五十年代，最初是在美國制造的。1950年，在美國空軍基地，第一個碳纖維復合材料首先在2000攝氏度的溫度下通過拉絲獲得，之后碳纖維復合材料進入高速發展階段。1959年美國聯合碳化物公司以粘膠纖維為原絲制成纖維素基CFRP，1969，日本東麗公司成功開發出高比強度、高比模量的碳纖維。碳纖維的生產一直以美國和日本為主導。

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著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，國產碳纖維的突圍之路仍然坎坷。

2 碳纖維的分類及生產工藝

碳纖維按照原絲類型可分為：聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維等。

聚丙烯腈基（PAN）碳纖維的生產工藝主要包括原絲生產、預氧化和原絲碳化三個過程。首先加工聚丙烯腈纖維，然后將這些原絲進行預氧化，接著進行碳化等工序制成碳纖維。由于聚丙烯腈碳纖維碳化收率較高，且得到的碳纖維產品性能優良，占據了碳纖維市場的95%以上。目前，生產高強、高模碳纖維的主要來源是PAN碳纖維。

瀝青基碳纖維由于具有原材料豐富和成本低廉的優點，在民用碳纖維領域有著良好的發展前景，法國開發了具有高耐熱性和高導電性的中間相瀝青基碳纖維，波蘭開發了一種金屬包覆碳纖維新方法。瀝青基碳纖維的生產能力在世界上是比較小的，國內瀝青基碳纖維的研究和開發較早，但是，與國外相比，開發、生產和應用還存在較大差距。

粘膠基碳纖維是指以纖維素環狀結構為主要構成的纖維經過碳化等步驟后得到的碳纖維材料，與聚丙烯腈基碳纖維不同的是，由于纖維本身具有環狀結構，不需要進行預氧化，可以直接碳化。由于粘膠中還有大量的H、O原子，所以其理論收率僅為55%，實際產率則更低，且粘膠基纖維的強度較差，但是由于其優秀的瞬間耐燒蝕性能，可以用作火箭的內襯材料。

3 碳纖維的應用

3.1 航空航天領域

航空航天是碳纖維的傳統市場，碳纖維復合材料在航空航天工業的數量近年來穩步增長，統計數據顯示，在大型飛機上的應用碳纖維復合材料占15%-50%，軍用飛機占30%-40%，小型商務飛機和直升機使用的機器已經達到70%-80%。

一些發達國家先后開發了廣泛應用于衛星、戰略導彈、火箭、飛機機翼的耐高溫碳纖維復合材料等產品，碳纖維已成為戰略航空航天和尖端武器不可缺少的基礎材料。

大量應用碳纖維復合材料可以大大降低飛機的重量，降低燃油消耗，提高飛機的整體性能。波音787是目前使用碳纖維復合材料最多的機型，其升降舵、方向舵大量使用碳纖維夾芯結構，機身段、機尾翼大量使用碳纖維層合結構，碳纖維復合材料占其結構重量高達50%，這大大提高了飛機的燃油經濟性，大大節省了飛機的運營成本。美國猛禽戰斗機F—22和B2隱形轟炸機都已大量使用碳纖維復合材料，統計顯示其碳纖維復合材料使用量均已超過整機重量的35%，極大地提高了飛機的速度和距離。

目前，中國的航空航天碳纖維復合材料體系已基本建立，一個相對完整的集設計、測試和復合材料應用的體系已經形成，這為中國的航空航天工業的發展提供了重要支撐。不僅如此，我國自行研制的碳纖維復合材料預制件性能已全面達到國外水平，它們制成的碳剎車盤已在國防重點軍用飛機上大量部署，并在其他民用飛機上進行了試驗。

3.2 汽車領域

輕量的碳纖維復合材料在新能源汽車和現有燃料汽車領域的應用都可降低油耗、減少排放，成為汽車材料發展的重點。在各國的支持下，各大碳纖維制造商和國外汽車巨頭紛紛聯手，發展汽車用碳纖維復合材料設計制造技術，已經形成“碳纖維復合材料供應商+零部件供應商+主機廠”的聯盟式產業化布局。

目前，我國碳纖維復合材料在汽車工業方面中年用量還小，應用較為成熟的技術大部分集中在非連續纖維復合材料成型工藝上，尚未形成一條完整的產業鏈，同時在諸多技術方面與國外差距巨大，急需進一步技術攻關。

現在，制約碳纖維復合材料在汽車工業使用的最大障礙是碳纖維的成本，碳纖維在汽車上的應用如果也像在航空航天領域上一樣成功的話，將帶動碳纖維的飛速發展。

3.3 體育領域

體育領域是碳纖維復合材料的重要應用領域。碳纖維在該領域的應用主要集中在高爾夫球棒、釣魚竿和球拍3個產品類型。這些產品主要利用的是碳纖維密度小、強度大的優異特性，近年來自行車、滑雪桿等新興產品的碳纖維用量也在不斷增長。

我國在20世紀80年代初開始研制碳纖維復合材料體育運動器材，體育器材每年的生產制造消耗碳纖維復合材料約五千噸，目前已與美國、日本和中國臺灣并列為高爾夫球棒的主要產地。

參考文獻

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