1.前言
（元琛科技）碳纖維指的是含碳量在90%以上的高強(qiáng)度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首。用腈綸和粘膠纖維做原料，經(jīng)高溫氧化碳化而成。
材料特性：碳纖維主要由碳元素組成，具有耐高溫、抗摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)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(jié)構(gòu)沿纖維軸擇優(yōu)取向，因此沿纖維軸方向有很高的強(qiáng)度和模量。碳纖維的密度小，因此比強(qiáng)度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強(qiáng)材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復(fù)合，制造先進(jìn)復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度及比模量在現(xiàn)有工程材料中是最高的。
現(xiàn)在碳纖維的主要產(chǎn)品有聚丙烯腈基，瀝青基及黏膠基3大類，每一類產(chǎn)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(shí)際上是多種碳纖維的總稱，因此分類及命名就十分重要。
2.主要產(chǎn)品
根據(jù)前軀體原料的不同，碳纖維可分為聚丙烯腈基(PAN)、瀝青基和粘膠基碳纖維等。由于粘膠基碳纖維在制備過程中會(huì)釋放出毒性物質(zhì)二硫化碳，且工藝流程長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高、整體性能不高，因此目前在國(guó)際碳纖維產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，前2種碳纖維獲得了更大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。其中，PAN基碳纖維又占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，國(guó)際市場(chǎng)占有率超過90%。PAN基碳纖維的9大生產(chǎn)商包括:日本東麗工業(yè)株式會(huì)社(簡(jiǎn)稱“東麗”)、日本東邦化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社(簡(jiǎn)稱“東邦")、日本三菱麗陽(yáng)株式會(huì)社(簡(jiǎn)稱“三菱麗陽(yáng)”)、美國(guó)赫氏有限公司(Hexcel)、美國(guó)氰特工業(yè)公司(Cytec)、美國(guó)卓爾泰克公司(Zoltek， 已被東麗收購(gòu))、臺(tái)灣塑料工業(yè)股份有限公司(簡(jiǎn)稱“臺(tái)塑")、土耳其阿克薩集團(tuán)( AKSA)和德國(guó)西格里碳素集團(tuán)( SGL)。瀝青基碳纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用居其次，主要生產(chǎn)企業(yè)3家，分別是Cytec、三菱麗陽(yáng)和東麗。
PAN基碳纖維分為小絲束(1~24K)和大絲束(36K 及以上)2類。全球小絲束碳纖維市場(chǎng)主要被東麗、東邦、三菱麗陽(yáng)3家公司所壟斷，而來自中國(guó)、土耳其和韓國(guó)的企業(yè)，正不斷擴(kuò)充小絲束的全球產(chǎn)能，同時(shí)也降低了3家日本公司的市場(chǎng)份額。大絲束碳纖維生產(chǎn)商主要有Zoster、SGL和三菱麗陽(yáng)3家。另外，中國(guó)藍(lán)星(集團(tuán))總公司英國(guó)分公司擁有大絲束碳纖維原絲的供應(yīng)能力，Cytec 于2014年與德國(guó)Dormagen的腈綸纖維生產(chǎn)商DralonGmbH公司合作開展低成本大絲束碳纖維的研制開發(fā)。預(yù)計(jì)在未來10年中，其他制造商也會(huì)陸續(xù)加入大絲束碳纖維生產(chǎn)領(lǐng)域。
為滿足高速發(fā)展的航空航天與汽車市場(chǎng)對(duì)碳纖維的需要，幾乎所有的碳纖維巨頭都宣布了擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。例如，東麗擁有以日本本土為核心的日美法韓4個(gè)生產(chǎn)基地，目前已形成11000 ~12000 t /a的T700S和4500 t /a的T800碳纖維生產(chǎn)能力，并宣布PAN基碳纖維的總產(chǎn)能于2015年達(dá)到27 100 t ,2020年擴(kuò)大至50000 t。另外，Hexcel 在歐洲大幅度擴(kuò)產(chǎn)，三菱在美國(guó)與本土擴(kuò)產(chǎn)，Cytec 已經(jīng)基本完成美國(guó)的雙倍產(chǎn)能擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，SGL也在美國(guó)接連擴(kuò)產(chǎn)。各企業(yè)的碳纖維生產(chǎn)已基本實(shí)現(xiàn)了全球布局，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從原絲到下游復(fù)合材料制品的全產(chǎn)業(yè)鏈一體化協(xié)調(diào)發(fā)展奠定了硬件基礎(chǔ)。
3.性能
（1）力學(xué)性能
碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度高，模量大，密度小，具有較高的比強(qiáng)度和很高的比模量。與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，韌度高，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與同為新型材料的硅基纖維復(fù)合材料相比，碳基纖維的拉伸強(qiáng)度約為其3-7倍。碳基纖維的彈性模量高于硅基纖維，所以碳纖維復(fù)合材料在相同外載荷下，應(yīng)變較小，其制件的剛度比硅基纖維復(fù)合材料制件高。高模量碳纖維的斷裂伸長(zhǎng)率約為0.5%，高強(qiáng)度碳纖維的約為1%，硅基纖維約為2.6%，而環(huán)氧樹脂的約為1.7%，所以碳纖維復(fù)合材料中纖維的強(qiáng)度能得到充分的發(fā)揮。
由于碳纖維的脆性很大，沖擊性能差，所以碳纖維復(fù)合材料的拉伸破壞方式屬于脆性破壞，即在拉斷前沒有明顯的塑性變形，應(yīng)力應(yīng)變曲線為直線，這一點(diǎn)與玻璃纖維相似，只是模量高于、斷裂伸長(zhǎng)率低于玻璃纖維。碳纖維復(fù)合材料的耐高低溫性能好。在隔絕空氣（惰性氣體保護(hù)下），2000°C仍有強(qiáng)度，液氮下也不脆斷。
（2）耐腐蝕性
碳纖維復(fù)合材料除了能被強(qiáng)氧化劑如濃硝酸、次氯酸及重鉻酸鹽氧化外，一般的酸堿對(duì)它的作用很小，比硅基纖維復(fù)合材料具有更好的耐腐蝕性。碳纖維復(fù)合材料不像硅基纖維復(fù)合材料那樣在濕空氣中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，具有好的耐水性及耐濕熱老化特性。此外還具有耐油、抗輻射以及減速中字運(yùn)動(dòng)等特性。
4.碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用
碳纖維復(fù)合材料憑借其優(yōu)良的性能，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，主要有航空航天、汽車、結(jié)構(gòu)加固工程、新能源開發(fā)、休閑用品等。
（1）航空航天
碳纖維復(fù)合材料最初主要應(yīng)用于航天業(yè)，因?yàn)榘l(fā)射航天器的成本與重量成正比關(guān)系，所以如何在保證航天器性能的同時(shí)減輕其重量成為最重要的問題。碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、使用溫度范圍高這些優(yōu)點(diǎn)而在航天產(chǎn)業(yè)得到深入的應(yīng)用，從航天器的外殼、內(nèi)設(shè)、結(jié)構(gòu)以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎都是采用碳纖維復(fù)合材料制作而成。近年來，隨著碳纖維復(fù)合材料制造成本的下降，軍用航空飛機(jī)和民用航空飛機(jī)方面也開始大規(guī)模使用該材料以大幅度減輕機(jī)體機(jī)構(gòu)質(zhì)量、改善氣動(dòng)彈性提高飛機(jī)的綜合性能。根據(jù)美國(guó)復(fù)合材料制造商協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2001年世界上飛機(jī)生產(chǎn)對(duì)碳纖維的需求量約為900-1000t。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已占70％~80％，在軍用飛機(jī)上占30％~40％，在大型客機(jī)上占15％~50％。以美國(guó)波音公司的B777為例，碳纖維復(fù)合材料在該型號(hào)飛機(jī)上的使用比例達(dá)到9%，這些先進(jìn)復(fù)合材料主要應(yīng)用在飛機(jī)尾翼、襟翼、副翼、天線罩、整流罩、短艙和地板梁等構(gòu)件，具體包括：垂直安定面翼盒、平尾翼盒、方向舵、升降舵、前后緣壁板、地板梁、外側(cè)副翼、外側(cè)襟翼、襟翼、襟副翼、整流包皮、內(nèi)外側(cè)擾流板、后緣壁板、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、發(fā)動(dòng)機(jī)支架整流罩、前起落架艙門、固定前緣、雷達(dá)天線罩等。
（2）汽車
目前，世界每年生產(chǎn)乘用車5千萬(wàn)輛，若包括卡車和公共汽車為7千萬(wàn)輛，隨著中、印等國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，不久世界汽車的年產(chǎn)量確可能超過1億輛。另外，目前世界PAN-CF的年產(chǎn)量只有數(shù)萬(wàn)噸，由于CFRP成本高、難加工、成型速度慢及還受再生問題的限制，只能用于航空航天、體育用品和工業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，要想用于汽車上，最重要的是盡快開發(fā)適用于熱塑性樹脂（如聚丙烯等）的具有表面活性的CF以及其CFRTP超高速成型技術(shù)和二次加工技術(shù)，其次當(dāng)CF需求量超過百萬(wàn)噸時(shí)，就要求開發(fā)以生物質(zhì)為原料的CF，盡管目前還有一定難度。再次，當(dāng)達(dá)到這么大規(guī)模時(shí)，需要開發(fā)CFRP的再生和CF高度再利用技術(shù)，還要解決這些材料和有關(guān)成型加工的評(píng)價(jià)和標(biāo)準(zhǔn)化問題。（元琛科技）
