高性能碳纤维的性能及其应用
第３９卷第４期
辞瞌饵技术
２０１
１年４月
ＣｏｔｔｏｎＴｅｘｔｉｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
高性能碳纤维的性麓及其应用
张新元
何碧霞李建利张元
（陕西省纺织科学研究所）
摘要：探讨高性能碳纤维的性能及其应用领域。介绍了碳纤维的分类、制备、性能特征、应用以及国内
外产业发展状况，分析了国际碳纤维产业的情况和我国碳纤维产业的现状及发展趋势。碳纤维应用涉及航空航天、体育运动、一般削造业、土木建筑、能源开发等领域。随着科技的发展和碳纤维应用技术的不断完善，碳纤维
产业的发展空间．必将越来越广。
关键词：
碳纤维；强度；比电阻；结晶度；聚丙烯腈；碳纤维机织物
中图分类号：ＴＳｌ０２．５２＋７．２
文献标志码：Ａ
文章编号：１００１．７４１５（２０１１）０４－００６５－０４
ＰｒｏｐｅｒｔｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＨｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ
ＺｈａｎｇＸｉｎｙｕａｎ
ＨｅＢｉｘｉａＬｉＪｉａｎｌｉ
ＺｈａｎｇＹｕａｎ
（ＳｈａａｎｘｉＴｅｘｔｉｌｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ
ｐｒｏｐｅｒｔｙ
ａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
ｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ
ｗｅｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｐｒｏｐｅｒｔｙ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ａｔ
ｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ
ｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ
ａｓ
ｗｅｌｌａｓ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｉｎｃｌｕｄｅｓａｅｒｏｓｐａｃｅ
ｆｉｅｌｄ，ｓｐｏｒｔｓｆｉｅｌｄ，ｇｅｎｅｒａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｆｉｅｌｄ，ｃｉｖｉｌ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｉｅｌｄ
ａｎｄ
ｅｎｅｒｇｙ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆｉｅｌｄ
ｅｔ
ａ１．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｉｎｄｕｓｔｒｙｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄ
ｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｉｎｄｕｓｔｒｙ
ｗｅｒｅ
ａｎａｌｙｓｅｄ．ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｉｎｄｕｓｔｒｙ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｗｏｕｌｄｂｅ
ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅ
ｗｉｄｅｌｙ
ａｓ
ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
Ｋｅｙ
ＷｏｒｄｓＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ，Ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ＳｐｅｃｉｆｉｃＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ，Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｉｔｙ，Ｐｏｌｙａｅｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ，ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＷｏｖｅｎＦａｂｒｉｃ
高性能纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐纤维与塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的环气候、耐化学试剂等特性，是近年来纤维高分子材境中，在一定张力、温度、压强下，经过一定时间的料领域中发展迅速的一类特种纤维。高性能纤维预氧化、碳化和石墨化处理等强热过程制成。
品种较多，目前已规模化生产的有碳纤维、芳纶纤碳纤维按原丝类型可分为聚丙烯腈（ＰＡＮ）维等，既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基材料发挥作用，是性能优越的战略性新型材料。
碳纤维４类。ＰＡＮ基碳纤维是目前制备碳纤维目前，高性能纤维中碳纤维是大规模生产的的第一大原料，其产量约占世界总产量的９５％左一个品种，具有较高的比强度、比模量和较小的体右。沥青基碳纤维约占４％，粘胶基碳纤维约占积质量。碳纤维既具有碳材料的固有特性，又兼ｌ％，酚醛基碳纤维尚处于实验室研究，未形成产备纺织纤维的柔软可加工性，具有优异的力学性业化。
能，近年来被广泛应用于航空、航天、汽车、化工、碳纤维按形态可分为长丝、短纤维和短切纤能源、交通、建筑、电子、体育运动器材等领域。
维。长丝应用在工业结构件和宇航结构件中，短纤维主要应用在建筑行业，如短碳纤维石墨低频１碳纤维的制备及分类
电磁屏蔽混凝土、工业用碳纤维毡等。
碳纤维按力学性能分为通用型和高性能型。
碳纤维的制备目前是采用一些含碳的有机纤通用型碳纤维强度为１
０００
ＭＰａ、模量为１００ＧＰａ
维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机
左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度
２０００ＭＰａ、模量２５０ＧＰａ）和高模型（模量
作者简介：张新元（１９６２一），男，高级工程师，西安，７１００３８３００
ＧＰａ以上）。强度大于４０００
ＭＰａ的又称为超
收稿日期：２０１０．１２－２３
高强型；模量大于４５０ＧＰａ的称为超高模型。
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・２７０・
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项目牌号抗拉强度拉伸模量
…。
断裂伸长
导热率电阻率
／ＧＰａ
／ＧＰａ
／％热膨胀手数／Ｋ～
／Ｗ・（１１３．Ｋ１“
／ｎ－Ｉｎ
体积质曼／ｇ・ｃｍ。
碳纤维机织物为主。由于碳纤维轴向经编增强体
３碳纤维的应用
中碳纤维完全平行伸直排列，纤维取向度高，纤维特性可以得到充分利用。目前国际市场的碳纤维目前，已经成熟的碳纤维应用形式有四种，即应用形式逐渐向碳纤维轴向经编织物转变。随着碳纤维、碳纤维织物、碳纤维预浸料坯和切短纤碳纤维生产应用技术的不断提高，碳纤维的应用维。碳纤维织物是碳纤维重要的应用形式。碳纤领域越来越广。
维织物可分为碳纤维机织物、碳纤维针织物、碳纤３．１航空航天领域
维毡和碳纤维异型织造织物。碳纤维主要以“缠碳纤维复合材料广泛应用在火箭、导弹和高绕成形法”应用为主。碳纤维织物主要以“树脂速飞行器等航空航天领域。碳纤维由于其质量转注成形法（ＲＴＭ也称真空辅助成型工艺）”应用小，所以动力消耗少，可节约大量燃料。例如为主。预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排２００７年问世的Ａ３８０超大型飞机，复合材料比重列或碳纤维织物经树脂浸泡，加热和塑化，使其转占２５％左右，百公里油耗不到３Ｌ／人；２００８年的化成片状的一种产品。切短纤维是指将ＰＡＮ基Ｂ７８７飞机用复合材料占５０％左右；将在２０１３年碳纤维长丝切成数毫米长的短纤维，与塑料、金面世的Ａ３５０超宽客机，复合材料比重将达５２％属、橡胶等材料进行复合，以增加材料的强度和耐左右，预计百公里油耗只有２．５Ｌ／人，几乎可与磨性。目前，国内碳纤维织物的应用形式主要以
小汽车媲美。我国Ｃ９１９飞机提出了复合材料不
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样改妲技术
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低于２５％的目标，每架飞机用碳纤维约８
ｔ一１０
ｔ。
专家预测：到２０２０年，只有复合材料才有潜力使飞机获得２０％～２５％的性能提升，复合材料将成为飞机的基本材料，用量将达到６５％。
碳纤维增强树脂基复合材料也是生产武器装备的重要材料。在战斗机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，可以起到明显的减重作用，较
大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，可比金属结构减
轻质量３１．５％左右，减少零件６１．５％左右，减少紧固件６１．３％左右。目前，国外第四代军用飞机
的结构重量系数已达到２７％一２８％。以Ｆ－２２为
目标的背景机复合材料用量比例需求为３５％左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是Ｔ３００级和ＴＴ００级小丝束碳纤维增强的复合材料。全球航空航天领域碳纤维用量统计如表２所示。
表２全球航空航天领域碳纤维用量统计
３．２体育运动领域
碳纤维最早的商业化应用就是体育运动休闲产品市场。多年来，碳纤维在高尔夫球杆中的使用一直居首位，年产量约为３４００万件，美国和日本是高尔夫球棒的主要消费地，占８０％以上。碳纤维在曲棍球棍和自行车架中的应用也逐年增多。而在球拍、钓鱼竿、滑雪板、帆板桅杆、帐篷杆
及棒球球棒等产品中同样也看到碳纤维的身影。
２００３年和２００４年世界碳纤维总消耗量分别为
１９２１０ｔ和２０６８０
ｔ，而用于体育休闲用品的碳纤
维就超过５０００ｔ，占世界碳纤维总消耗量的２５％
左右。
３．３一般制造业领域
在一般工业制造领域中，碳纤维材料现已成为汽车制造商青睐的材料。目前，碳纤维复合材料传动轴、刹车片、尾翼和引擎盖已经在汽车行业中被广泛应用。福特和保时捷ＧＴ型赛车发动机罩，奔驰５７Ｓ型轿车内装饰，通用雪佛莱轿车底
盘，宝马Ｍ６型轿车顶篷，梅赛德斯一奔驰的ＳＬＲ迈凯轮超级跑车整个车身，法国标致的３０８
ＲＣＺ
概念新车都已采用了碳纤维复合材料，使汽车更加轻量化。随着环保要求的提高，碳纤维开始被广泛应用于汽车尾部沸腾器、发动机、传动轴和燃
料箱材料。在工业领域，碳纤维还可应用于机器
部件、家用电器、微机及与半导体相关设备，起到提高材料强度、防静电和电磁波防护的作用。
３．４土木建筑领域
碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强，具有密度小，强度高，耐久性好，抗腐蚀能力强，可耐酸、碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强的特点。用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶，比钢材轻５０％左右，使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外，碳纤维做补强混凝土结构时，不需要增加螺栓和铆钉固定，对原混凝土结构扰动较小，施工工艺简
便。
３．５能源开发领域
随着人类环保意识的提高，大型风力发电产业正迅速兴起。为提高风力发电机叶片的捕风能力，轻质高强、耐久性好的玻璃纤维和碳纤维混杂复合材料结构成为目前大型风力发电机叶片的首选材料。尤其在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位应使用碳纤维不仅可提高叶片的承载能
力，还可因碳纤维具有导电性而有效避免雷击对叶片造成的损伤。
预计未来五年，风能发电的市场需求将以每年１５％一２０％的速度增长。风能发电成本相对低廉，已成为人类开发新能源的重要领域。美国能源信息管理部２００６年报告称，风力发电成本为
０．０５５８美元／ｋＷ・ｈ，天然气发电成本为０．０５２
５美元／ｋＷ・ｈ，煤电为０．５３美元／ｋＷ・ｈ，
核电为０．５９３美元／ｋＷ・ｈ。１９８０年风电成本为０．８美元／ｋＷ・ｈ；１９９１年降为０．１美元／ｋＷ・ｈ，可见风能发电具有显著的成本优势。
４
国内外碳纤维产业现状及其发展趋势
４．１
国际碳纤维产业的概况
碳纤维的研发始于１９世纪６０年代，但未形
成产业化。２０世纪５０年代初，随着空间技术的发展，发达国家开始重视碳纤维的研究，２０世纪
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６０年开始了碳纤维的研发工业化生产技术，２０世纪７０年代实现了工业化生产。在２ｌ世纪，碳纤维进入了蓬勃发展的新阶段，生产国也由原来仅限于少数发达国家扩展到十多个国家和地区。但核心技术仍被发达国家掌握，如碳纤维领域中日本东丽、日本帝人、我国台湾省台塑集团，美国ＳＧＬ、ＨＥＸＣＥＬ、ＺＯＬＴＥＫ等，均有规模化生产。
碳纤维复合材料是国防军工和现代工业产业升级与产品更新换代所必须的关键材料。２００１年全球碳纤维消耗量为１７
９００
ｔ左右；２００５年达
２１９２０ｔ；２００６年２４１９０ｔ，２００８年２７７４０
ｔ，预计
２０１０年需求量将会增加到５０
０００ｔ，２０１１年达到
５８０００ｔ，２０１２年达到６８０００
ｔ。目前，航空航天
业仍然是碳纤维消费的最大市场，占据了市场份额的２１％，而且价格相对较高。在其他的应用领域，产业应用占１５％左右、体育用品占１４％左右、风能发电占１１％左右、汽车工业占１０％左右、电子工业占９％左右、石油和天然气业占８％左右、建筑业占８％左右、海洋业占４％左右。
４．２
我国碳纤维产业的现状及发展趋势
进入２ｌ世纪以来，碳纤维产业在我国发展迅速。到２０１０年我国计划建成的年产能干吨级以上的碳纤维厂家有十多家，碳纤维总产能原丝可达７
１００ｔ，碳纤维２７５０
ｔ，产量４００ｔ，产品规格为
１Ｋ、３Ｋ、６Ｋ、１２Ｋ。但我国的碳纤维质量不稳定，毛丝率较多，产品规格较少，性能仍有待提高。为适应民用需求，应加强产品均匀稳定化的改进。另外我国碳纤维尚不能满足高性能ＣＦ的急需，如高强型，１７００、Ｔ８００，高强高模型如Ｍ５５Ｊ等产品。
尽管我国碳纤维生产发展相对缓慢，但消费量却一直在逐渐增加，市场需求旺盛。据统计，１９９６年消耗量为５８０ｔ，１９９７年为７００ｔ左右，
２０００年为ｌ２００ｔ，２００１年为１５００ｔ，２００２年已超过２０００ｔ，２００３年３０００ｔ，２００４年４０００ｔ，２００５
年和２００６年我国碳纤维的需求量为５０００吨，２０１０年已突破５
０００ｔ达到７８００
ｔ。其主要用途
包括体育器材、一般工业和航空航天等，其中体育休闲用品的使用量最大，占消费量的８０％一９０％。
５
结束语
碳纤维是一多学科、跨行业的特殊精细化工
产品，国外已实现了其商业化的生产。在我国碳
纤维正处于研制、生产和应用阶段，为开发碳纤维顶级新产品，目前要完善碳纤维生产工艺，减少毛丝，稳定产品质量，以利于传统工业制品材料的更新换代。同时，抓紧制订大丝束碳纤维力学性能的国家标准测试方法，重视原丝的油剂、碳纤维和石墨纤维的上胶剂等辅助材料的研制，统一制订控制碳纤维关键质量指标的测试方法，如取向度、结晶度、原丝油剂残存量、毛丝率等，大力开发各种复合材料制品，拓宽其应用领域，满足市场发展需求。・
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高性能碳纤维的性能及其应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
张新元， 何碧霞， 李建利， 张元， Zhang Xinyuan， He Bixia， Li Jianli， Zhang Yuan
陕西省纺织科学研究所棉纺织技术
COTTON TEXTILE TECHNOLOGY2011,39(4)1次
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