碳纖維被喻為是當(dāng)今世界上材料綜合性能的頂峰是21世紀(jì)的黑色革命是適應(yīng)宇航、航空、原子能等尖端工業(yè)發(fā)展的需要而研制開發(fā)的一種新材料。

   碳纖維作為高性能纖維的一種碳纖維已在軍事及民用工業(yè)的各個領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用從航天、航空、汽車、電子、機(jī)械、化工、輕紡等民用工業(yè)到運(yùn)動器材和休閑用品等。

   碳纖維被認(rèn)為是高科技領(lǐng)域中新型工業(yè)材料的典型代表為世人所矚目。

1.碳纖維的發(fā)展歷程

1.1 國外碳纖維的發(fā)展歷程

   目前世界各國發(fā)展的主要是PAN 基碳纖維和瀝青基碳纖維。國外PAN基碳纖維的研究與開發(fā)開始于20世紀(jì)60年代。起初碳纖維主要用于軍工和宇航經(jīng)過40余年的發(fā)展其應(yīng)用領(lǐng)域正在向工業(yè)領(lǐng)域和普通民用領(lǐng)域擴(kuò)大。世界PAN 基碳纖維生產(chǎn)廠商主要有日本Toray（東麗）、Toho（東邦）、Mitsubishi Rayon（三菱人造絲）美國Hexcel（赫克塞爾）、Amoco（阿莫科）和Zoltek（卓爾泰克）。瀝青基碳纖維主要生產(chǎn)廠商有日本Mitsubishi Chem（三菱化學(xué)）、Kureha （吳羽）、Donac與美國Amoco 公司。

   在小絲束碳纖維（3K6K和12K）方面Toray、Toho與Mitsubishi Rayon等3已形成壟斷產(chǎn)能分別達(dá)到9100、5600和4700t/a占世界總產(chǎn)能的31.6 %、19.5 %和16.3 %。

   大絲束碳纖維的主要生產(chǎn)國是美國、德國與日本。其產(chǎn)量大約是小絲束碳纖維產(chǎn)量的33 %左右。

   近年來大絲束碳纖維獲得飛速發(fā)展世界上過去不生產(chǎn)大絲束碳纖維的一些碳纖維生產(chǎn)廠也紛紛打算生產(chǎn)大絲束碳纖維或已開始生產(chǎn)大絲束碳纖維最典型的當(dāng)推Toray公司；同時國外已經(jīng)通過利用與電磁輻射有關(guān)的等離子技術(shù)由完全和部分穩(wěn)定的碳纖維原絲來生產(chǎn)碳纖維；并且把納米技術(shù)也應(yīng)用在碳纖維上研制出納米碳纖維且日本Mitsubushi Chem與Toray等計劃大規(guī)模生產(chǎn)納米碳纖維。材料+微信內(nèi)容不錯。針對于碳纖維制備工藝的不斷成熟其碳纖維的需求量也將逐步加大。

1.2 國內(nèi)碳纖維的發(fā)展歷程

   從20世紀(jì)70年代中期開始經(jīng)過30余年的發(fā)展我國碳纖維從無到有從研制到生產(chǎn)取得了一定的成績但總的來說我國碳纖維的研制與生產(chǎn)水平還較低[3]。

          PAN 基碳纖維

   我國PAN基碳纖維的開發(fā)研制已有30多年歷史。20世紀(jì)60年代初吉林應(yīng)用化學(xué)研究所已著手于PAN基碳纖維的研究70年代初已完成連續(xù)化中試裝置。其后上海合成纖維研究所、中國科學(xué)院山西煤化所等單位也開展研制工作并于80年代中期通過了中試。我國碳纖維生產(chǎn)先后建成了從年產(chǎn)幾百千克到年產(chǎn)幾噸的小試裝置和幾十噸的中試生產(chǎn)裝置起步不晚但發(fā)展緩慢總生產(chǎn)能力還不及發(fā)達(dá)國家或地區(qū)。

   到目前為止國內(nèi)的T300系列基本可以達(dá)到國際水平軍工應(yīng)用領(lǐng)域較為成熟民用市場逐漸開拓。T700級高性能碳纖維突破了干噴濕紡工藝產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用逐步加快。T800級碳纖維已經(jīng)小批量試產(chǎn)但還尚未完全實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。MJ 系列高性能碳纖維已經(jīng)突破關(guān)鍵制備技術(shù)。

   瀝青基碳纖維

   世界瀝青基碳纖維的生產(chǎn)能力較小國內(nèi)瀝青基碳纖維的研究和開發(fā)較早。20世紀(jì)70年代初上海焦化廠以煤焦油為原料成功地制取了碳纖維但因試驗結(jié)果不穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量不高而中止。材料+微信內(nèi)容不錯。1979年中國科學(xué)院山西煤化所開始研制瀝青基碳纖維1985年通過小試。在此基礎(chǔ)上冶金部在煙臺籌建了新材料研究所生產(chǎn)通用級瀝青碳纖維規(guī)模70～100t/a主要做飛機(jī)的剎車片。90年代初擴(kuò)大到150t/a但由于設(shè)備未過關(guān)又無改造資金處于停產(chǎn)狀態(tài)。鞍山投資1.2億元人民幣于90年代初從美國Ashland（阿什蘭德）引進(jìn)了生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)能力為200t/a1994年動工建設(shè)1995年投產(chǎn)。近年來我國碳纖維的產(chǎn)量雖有增加但與不斷增長的需求相比仍有較大的差距。

   我國瀝青基碳纖維與PAN基碳纖維相比發(fā)展較慢但由于生產(chǎn)成本較低價格約為PAN基碳纖維的1/3～1/4因此瀝青基碳纖維在民用及建筑領(lǐng)域的應(yīng)用前景較為廣闊這將為我國瀝青基碳纖維的發(fā)展提供良好的機(jī)遇。在受到生態(tài)環(huán)境和能源雙制約的21世紀(jì)瀝青基碳纖維將會持續(xù)穩(wěn)定地增長并成為在成本結(jié)構(gòu)上極具競爭力的碳纖維品種具有十分好的發(fā)展前景。

   碳纖維是比鋁輕、比鋼強(qiáng)、比人發(fā)細(xì)、含碳量大于90%的纖維狀碳材料；

   碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維呈亂層結(jié)構(gòu)；

   高溫下轉(zhuǎn)化為類石墨結(jié)構(gòu)稱為石墨纖維。隨著溫度升高至2500℃以上碳含量﹥99%層間距隨之減小說明碳原子已經(jīng)由亂層結(jié)構(gòu)向三維有序的石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化；

   碳和石墨纖維層面主要以碳原子共價鍵相結(jié)合而層與層之間以范德華力相連接因此具有顯著的各向異性；

   柔軟可加工成織物又由于比重小沿纖維方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度；

   主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合做結(jié)構(gòu)材料。

3.碳纖維的應(yīng)用

   碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱等特性屬典型的高新技術(shù)產(chǎn)品碳纖維已廣泛應(yīng)用于宇航、體育用品領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、交通運(yùn)輸領(lǐng)域及土木建筑領(lǐng)域。鑒于近年軍事工業(yè)上應(yīng)用的萎縮、碳纖維成本的降低及先進(jìn)低成本制造復(fù)合材料技術(shù)的突破碳纖維復(fù)合材料在建筑、工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)确矫娴膽?yīng)用便成為研究開發(fā)的熱點并取得了一定的突破性進(jìn)展。

3.1航空航天領(lǐng)域

   到2015年航空航天用碳纖維比2011年增長約109%達(dá)到16千噸預(yù)計到2020年達(dá)到27千噸。碳纖維將在航空航天領(lǐng)域以多種應(yīng)用趨勢成為噴氣飛機(jī)發(fā)動機(jī)、渦輪發(fā)動機(jī)、渦輪等主要的結(jié)構(gòu)材料。

   民用領(lǐng)域世界最大飛機(jī)歐洲空客A380使用的復(fù)合材料是結(jié)構(gòu)重量的25%碳纖維復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的22%；空客A350碳纖維復(fù)合材料的占比達(dá)到了52%；美國波音B787復(fù)合材料質(zhì)量比例高達(dá)50%機(jī)身、尾翼采用碳纖維層合結(jié)構(gòu)升降舵、方向舵保留碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)；中國商飛C919第一階段采用10%-15%的碳纖維復(fù)合材料第二階段將采用23%-25%碳纖維復(fù)合材料與俄羅斯合作的C929預(yù)計將達(dá)到50%。

3.2土木建筑領(lǐng)域

   在土木建材領(lǐng)域中水泥的用量最大但水泥有脆性大、抗拉強(qiáng)度低等缺點。為了改善這些弊端人們利用碳纖維的力學(xué)特性用混凝土或水泥做基體制成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。材料+微信內(nèi)容不錯。隨著碳纖維成本的降低與復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展土木建筑領(lǐng)域成為碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的新市場。

   目前的主要應(yīng)用形式：

   復(fù)合材料棒材、纖維增強(qiáng)膠接層板、碳纖維增強(qiáng)混凝土、碳纖維復(fù)合材料片等。

3.3工業(yè)領(lǐng)域

   近幾年來碳纖維在宇航領(lǐng)域中應(yīng)用萎縮在工業(yè)應(yīng)用的市場不斷看好。與宇航和體育休閑用品相比工業(yè)應(yīng)用對于碳纖維的需求在不斷增長?；A(chǔ)設(shè)施、油氣開采、壓力容器、復(fù)合材料輥子、航海構(gòu)件等應(yīng)用不斷開發(fā)使碳纖維在這個領(lǐng)域的應(yīng)用持續(xù)增長。

3.4交通運(yùn)輸領(lǐng)域

   在交通領(lǐng)域碳纖維擴(kuò)大應(yīng)用的最大希望在于汽車業(yè)。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán)及低碳生活被人們普遍接受節(jié)能減排已成為汽車工業(yè)的重要研究課題在能源革新有限的情況下輕量化是解決問題的關(guān)鍵之一。碳纖維具有比模量和比強(qiáng)度高、減重潛力大、安全性好等突出優(yōu)點是汽車輕量化最佳選擇。

   目前碳纖維復(fù)合材料已獲得應(yīng)用或正在研究開發(fā)應(yīng)用的領(lǐng)域主要包括：飛輪、壓縮天然氣貯罐、燃?xì)馔钙讲考?、剎車裝置其它部件如蓄電池、活塞、傳動軸、彈翼、大梁等。

3.5能源領(lǐng)域

   目前電阻率在10-3～10-2W?cm的碳纖維紙屬高性能碳纖維紙通常稱之高導(dǎo)電率碳纖維紙在新能源和電化學(xué)領(lǐng)域正在廣泛推廣應(yīng)用。現(xiàn)在用高性能碳纖維紙制作質(zhì)子交換膜——燃料電池（PEMFC）的氣體擴(kuò)散層電極材料已經(jīng)得到各燃料電池制造商的認(rèn)同從而得到很快發(fā)展。能源和貯能方面像風(fēng)力發(fā)電葉片、飛輪、電池等應(yīng)用也不斷擴(kuò)大。

3.6體育休閑領(lǐng)域

   亞洲用于生產(chǎn)體育休閑用品碳纖維的消耗量是世界上最高的。在亞洲特別是中國（包括臺灣省）正越來越多地生產(chǎn)管狀復(fù)合材料件像高爾夫球桿和網(wǎng)球拍等其它還包括箭桿、釣魚竿、自行車架、船槳、滑雪工具、棒球棒、公路賽車、競技墻等體育用品。

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