碳纖維

碳纖維 carbon fibre
　　顧名思義，它不僅具有碳材料的固有本征特性,，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性,，是新一代增強(qiáng)纖維。與傳統(tǒng)的玻璃纖維(GF)相比,，楊氏模量是其3 倍多,；它與凱芙拉纖維(KF-49)相比，不僅楊氏模量是其2倍左右,，而且在有機(jī)溶劑,、酸、堿中不溶不脹,，耐蝕性出類拔萃。有學(xué)者在1981年將PAN基CF浸泡在強(qiáng)堿NaOH 溶液中,，時(shí)間已過(guò)去20多年,，它至今仍保持纖維形態(tài)。
　　碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料,，它的比重不到鋼的1/4,，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍,，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼,。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右,，其比模量也比鋼高,。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小,，比模量愈高,，則構(gòu)件的剛度愈大,，從這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景,，綜觀多種新興的復(fù)合材料(如高分子復(fù)合材料,、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料)的優(yōu)異性能,，不少人預(yù)料,，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時(shí)代進(jìn)入到一個(gè)復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的時(shí)代。
　　碳纖維是含碳量高于90％的無(wú)機(jī)高分子纖維 ,。其中含碳量高于99％的稱石墨纖維。碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高,，無(wú)蠕變,，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間,，熱膨脹系數(shù)小,，耐腐蝕性好，纖維的密度低,，X射線透過(guò)性好,。但其耐沖擊性較差，容易損傷,，在強(qiáng)酸作用下發(fā)生氧化，與金屬?gòu)?fù)合時(shí)會(huì)發(fā)生金屬碳化,、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象,。因此，碳纖維在使用前須進(jìn)行表面處理,。
　　碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維,、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得,；按狀態(tài)分為長(zhǎng)絲,、短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型 ,。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000兆帕（MPa）,、模量為100GPa左右,。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度2000MPa,、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強(qiáng)度大于4000MPa的又稱為超高強(qiáng)型,；模量大于450GPa的稱為超高模型,。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)高伸型碳纖維,，其延伸率大于2％,。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。
　　碳纖維可加工成織物,、氈,、席、帶,、紙及其他材料,。碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨(dú)使用,，多作為增強(qiáng)材料加入到樹脂,、金屬、陶瓷,、混凝土等材料中,，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可用作飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料,、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(jī)動(dòng)船,、工業(yè)機(jī)器人,、汽車板簧和驅(qū)動(dòng)軸等。
　　碳纖維是軍民兩用新材料,，屬于技術(shù)密集型和政治敏感的關(guān)鍵材料,。以前，以美國(guó)為首的巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)(COCOM),， 對(duì)當(dāng)時(shí)的社會(huì)主義國(guó)家實(shí)行禁運(yùn)封鎖政策,，1994年3月，COCOM雖然已解散,，但禁運(yùn)封鎖的陰影仍籠罩在上空,，先進(jìn)的碳纖維技術(shù)仍引不進(jìn)來(lái)，特別是高性能PAN基原絲技術(shù),，即使我國(guó)進(jìn)入WTO,，形勢(shì)也不會(huì)發(fā)生大的變化。因此,，除了國(guó)人繼續(xù)自力更生發(fā)展碳纖維工業(yè)外,，別無(wú)其它選擇。因此,，國(guó)外尤其是碳纖維生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先的日韓等國(guó)對(duì)中國(guó)的碳纖維材料及制品的出口一直保持相當(dāng)謹(jǐn)慎的態(tài)度,，只有為數(shù)很少的中國(guó)企業(yè)能夠與其建立合作關(guān)系,，擁有其產(chǎn)品的進(jìn)口渠道。
　　目前世界碳纖維產(chǎn)量達(dá)到4萬(wàn)噸／年以上,，全世界主要是日本東麗,、東邦人造絲和三菱人造絲三家公司以及美國(guó)的HEXCEL、ZOLTEK,、ALDILA三家公司,，以及德國(guó)SGL西格里集團(tuán)，韓國(guó)泰光產(chǎn)業(yè),，我國(guó)臺(tái)灣省的臺(tái)塑集團(tuán),，等少數(shù)單位掌握了碳纖維生產(chǎn)的核心技術(shù)，并且有規(guī)?；笊a(chǎn),。目前在祖國(guó)大陸還沒有一個(gè)年產(chǎn)100t的規(guī)模化碳纖維工廠,，大多還處于中試放大階段,。值得一提的是我國(guó)臺(tái)灣省的臺(tái)塑集團(tuán),，在80代年中期從美國(guó)Hitco公司引進(jìn)百噸級(jí)碳纖維生產(chǎn)線,，經(jīng)消化、吸收和配套后得到迅速發(fā)展,，臺(tái)塑產(chǎn)量增加很快,，但碳纖維質(zhì)量的提高幅度并不大。
　　我國(guó)對(duì)碳纖維的研究開始于20世紀(jì)60年代,，80年代開始研究高強(qiáng)型碳纖維。多年來(lái)進(jìn)展緩慢,，但也取得了一定成績(jī)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)發(fā)展較快,，安徽華皖碳纖維公司率先引進(jìn)了500噸／年原絲,、200噸／年P(guān)AN基碳纖維(只有東麗碳纖維T300水平)，使我國(guó)碳纖維工業(yè)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化,。隨后,，一些廠家相繼加入碳纖維生產(chǎn)行列。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),，目前,，我國(guó)已有12家生產(chǎn)規(guī)模大小不一(5～800噸／年)的PAN基碳纖維生產(chǎn)廠家，合計(jì)生產(chǎn)能力為1310噸／年,，產(chǎn)品規(guī)格為1K,、3K,、6K、12K,。但由于一些企業(yè)沒有原絲可燒,，實(shí)際國(guó)內(nèi)碳纖維的總產(chǎn)量不足40噸/年，而且產(chǎn)品質(zhì)量不太穩(wěn)定,，大多數(shù)達(dá)不到T300水平,。可喜的是從2000年開始我國(guó)碳纖維向技術(shù)多元化發(fā)展,，放棄了原來(lái)的硝酸法原絲制造技術(shù),，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術(shù)獲得成功。目前利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國(guó)產(chǎn)T300,、T700碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水平,。
　　隨著近年來(lái)我國(guó)對(duì)碳纖維的需求量日益增長(zhǎng)，碳纖維已被列為國(guó)家化纖行業(yè)重點(diǎn)扶持的新產(chǎn)品,，成為國(guó)內(nèi)新材料行業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn),。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前擬建和在建的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)有11家,，合計(jì)生產(chǎn)能力為原絲7100噸／年,、碳纖維1560噸／年，其中在建企業(yè)為4家,，合計(jì)生產(chǎn)能力為原絲1100噸／年,、碳纖維470噸／年。
　　盡管我國(guó)碳纖維生產(chǎn)發(fā)展緩慢,，而消費(fèi)量卻一直在逐漸增加，市場(chǎng)需求旺盛,。主要用途包括體育器材,、一般工業(yè)和航空航天等，其中體育休閑用品的使用量最大,，占消費(fèi)量的約80%～90%,。我國(guó)碳纖維的需求量已超過(guò)3000噸/年，2010年將突破5000噸/年,。主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋撼墒焓袌?chǎng)有航空航天及國(guó)防領(lǐng)域(飛機(jī),、火箭、導(dǎo)彈,、衛(wèi)星,、雷達(dá)等)和體育休閑用品(高爾夫球桿、漁具、網(wǎng)球拍,、羽毛球拍,、箭桿、自行車,、賽艇等),；新興市場(chǎng)有增強(qiáng)塑料、壓力容器,、建筑加固,、風(fēng)力發(fā)電、摩擦材料,、鉆井平臺(tái)等,；待開發(fā)市場(chǎng)有汽車、醫(yī)療器械,、新能源等,。
　　我國(guó)碳纖維復(fù)合材料的研制開始于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展,，已取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,，在航天主導(dǎo)產(chǎn)品(彈、箭,、星,、船)上得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái),，我國(guó)體育休閑用品及壓力容器等領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求迅速增長(zhǎng),，航空航天技術(shù)的快速發(fā)展急需高性能碳纖維及其復(fù)合材料等，市場(chǎng)需求更加旺盛,。
　　為了滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)碳纖維不斷增長(zhǎng)的需求,，應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳纖維工業(yè)的國(guó)產(chǎn)化和規(guī)模化,。為此,，必須加快技術(shù)創(chuàng)新,，掌握核心技術(shù),；加速原絲技術(shù)開發(fā)，研制高純度原絲,；強(qiáng)化應(yīng)用研究和市場(chǎng)開發(fā)，進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域,。碳纖維在我國(guó)大有發(fā)展前途,，但應(yīng)總結(jié)滌綸等化纖發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，避免盲目發(fā)展,，實(shí)現(xiàn)健康發(fā)展,。
　　為了大型飛機(jī)的制造和航空航天事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)還必須盡快地實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)中模型碳纖維的產(chǎn)業(yè)化,。但是,，因?yàn)楦咝阅芴祭w維是發(fā)展航空航天等尖端技術(shù)必不可少的材料，長(zhǎng)期受到以美國(guó)為首的巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)的封鎖,。雖然“巴統(tǒng)”在1994年3月解散了,，但禁運(yùn)的陰影仍然存在。即使對(duì)我國(guó)解除了禁運(yùn),，開始也只能是通用級(jí)碳纖維,，而不會(huì)向我們出售高性能碳纖維技術(shù)和設(shè)備。因此,，發(fā)展高性能碳纖維必須要靠我們自己,。我國(guó)化學(xué)纖維工業(yè)“十一•五”發(fā)展規(guī)劃中提出了“從以增加數(shù)量為主轉(zhuǎn)向大力發(fā)展高新技術(shù)纖維”，特別是把事關(guān)國(guó)家產(chǎn)業(yè)安全的高新技術(shù)纖維材料作為重中之重,，而且碳纖維被列為首位,，是國(guó)家迫切需要短期內(nèi)突破的高新技術(shù)纖維品種，為我國(guó)碳纖維的發(fā)展創(chuàng)造了條件,，我們要抓住這一機(jī)遇,，自力更生、努力創(chuàng)新,，發(fā)展具有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳纖維,，以滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。國(guó)家“863 計(jì)劃”以及有關(guān)部委都在關(guān)心我國(guó)碳纖維工業(yè)的發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化步伐,，并給予強(qiáng)有力的支持,，許多材料專家也扎扎實(shí)實(shí)的做了許多工作。“十一五”期間,，我國(guó)又啟動(dòng)了相關(guān)“973計(jì)劃”,。相信“十一五”將是我國(guó)碳纖維工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的黃金時(shí)代。