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，而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。有學者在1981年將PAN基CF浸泡在強堿NaOH 溶液中，時間已過去20多年，它至今仍保持纖維形態(tài)。
　　碳纖維是一種力學性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在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的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景，綜觀多種新興的復合材料(如高分子復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料)的優(yōu)異性能，不少人預料，人類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個復合材料廣泛應用的時代。
　　碳纖維是含碳量高于90％的無機高分子纖維 。其中含碳量高于99％的稱石墨纖維。碳纖維的軸向強度和模量高，無蠕變，耐疲勞性好，比熱及導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射線透過性好。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發(fā)生氧化，與金屬復合時會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現(xiàn)象。因此，碳纖維在使用前須進行表面處理。
　　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碳化制得；按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學性能分為通用型和高性能型 。通用型碳纖維強度為1000兆帕（MPa）、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強型（強度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強度大于4000MPa的又稱為超高強型；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，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成復合材料。碳纖維增強的復合材料可用作飛機結構材料、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、機動船、工業(yè)機器人、汽車板簧和驅動軸等。
　　碳纖維是軍民兩用新材料，屬于技術密集型和政治敏感的關鍵材料。以前，以美國為首的巴黎統(tǒng)籌委員會(COCOM)， 對當時的社會主義國家實行禁運封鎖政策，1994年3月，COCOM雖然已解散，但禁運封鎖的陰影仍籠罩在上空，先進的碳纖維技術仍引不進來，特別是高性能PAN基原絲技術，即使我國進入WTO，形勢也不會發(fā)生大的變化。因此，除了國人繼續(xù)自力更生發(fā)展碳纖維工業(yè)外，別無其它選擇。因此，國外尤其是碳纖維生產技術領先的日韓等國對中國的碳纖維材料及制品的出口一直保持相當謹慎的態(tài)度，只有為數(shù)很少的中國企業(yè)能夠與其建立合作關系，擁有其產品的進口渠道。
　　目前世界碳纖維產量達到4萬噸／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的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德國SGL西格里集團，韓國泰光產業(yè)，我國臺灣省的臺塑集團，等少數(shù)單位掌握了碳纖維生產的核心技術，并且有規(guī)模化大生產。目前在祖國大陸還沒有一個年產100t的規(guī)模化碳纖維工廠，大多還處于中試放大階段。值得一提的是我國臺灣省的臺塑集團，在80代年中期從美國Hitco公司引進百噸級碳纖維生產線，經消化、吸收和配套后得到迅速發(fā)展，臺塑產量增加很快，但碳纖維質量的提高幅度并不大。
　　我國對碳纖維的研究開始于20世紀60年代，80年代開始研究高強型碳纖維。多年來進展緩慢，但也取得了一定成績。進入21世紀以來發(fā)展較快，安徽華皖碳纖維公司率先引進了500噸／年原絲、200噸／年PAN基碳纖維(只有東麗碳纖維T300水平)，使我國碳纖維工業(yè)進入了產業(yè)化。隨后，一些廠家相繼加入碳纖維生產行列。據不完全統(tǒng)計，目前，我國已有12家生產規(guī)模大小不一(5～800噸／年)的PAN基碳纖維生產廠家，合計生產能力為1310噸／年，產品規(guī)格為1K、3K、6K、12K。但由于一些企業(yè)沒有原絲可燒，實際國內碳纖維的總產量不足40噸/年，而且產品質量不太穩(wěn)定，大多數(shù)達不到T300水平。可喜的是從2000年開始我國碳纖維向技術多元化發(fā)展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術獲得成功。目前利用自主技術研制的少數(shù)國產T300、T700碳纖維產品已經達到國際同類產品水平。
　　隨著近年來我國對碳纖維的需求量日益增長，碳纖維已被列為國家化纖行業(yè)重點扶持的新產品，成為國內新材料行業(yè)研發(fā)的熱點。據不完全統(tǒng)計，目前擬建和在建的碳纖維生產企業(yè)有11家，合計生產能力為原絲7100噸／年、碳纖維1560噸／年，其中在建企業(yè)為4家，合計生產能力為原絲1100噸／年、碳纖維470噸／年。
　　盡管我國碳纖維生產發(fā)展緩慢，而消費量卻一直在逐漸增加，市場需求旺盛。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，占消費量的約80%～90%。我國碳纖維的需求量已超過3000噸/年，2010年將突破5000噸/年。主要應用領域為：成熟市場有航空航天及國防領域(飛機、火箭、導彈、衛(wèi)星、雷達等)和體育休閑用品(高爾夫球桿、漁具、網球拍、羽毛球拍、箭桿、自行車、賽艇等)；新興市場有增強塑料、壓力容器、建筑加固、風力發(fā)電、摩擦材料、鉆井平臺等；待開發(fā)市場有汽車、醫(yī)療器械、新能源等。
　　我國碳纖維復合材料的研制開始于20世紀70年代中期，經過近40年的發(fā)展，已取得了長足進展，在航天主導產品(彈、箭、星、船)上得到了廣泛應用。近年來，我國體育休閑用品及壓力容器等領域對碳纖維的需求迅速增長，航空航天技術的快速發(fā)展急需高性能碳纖維及其復合材料等，市場需求更加旺盛。
　　為了滿足國內市場對碳纖維不斷增長的需求，應盡快實現(xiàn)我國碳纖維工業(yè)的國產化和規(guī)模化。為此，必須加快技術創(chuàng)新，掌握核心技術；加速原絲技術開發(fā)，研制高純度原絲；強化應用研究和市場開發(fā)，進一步擴大應用領域。碳纖維在我國大有發(fā)展前途，但應總結滌綸等化纖發(fā)展的經驗教訓，避免盲目發(fā)展，實現(xiàn)健康發(fā)展。
　　為了大型飛機的制造和航空航天事業(yè)的發(fā)展，我國還必須盡快地實現(xiàn)高強中模型碳纖維的產業(yè)化。但是，因為高性能碳纖維是發(fā)展航空航天等尖端技術必不可少的材料，長期受到以美國為首的巴黎統(tǒng)籌委員會的封鎖。雖然“巴統(tǒng)”在1994年3月解散了，但禁運的陰影仍然存在。即使對我國解除了禁運，開始也只能是通用級碳纖維，而不會向我們出售高性能碳纖維技術和設備。因此，發(fā)展高性能碳纖維必須要靠我們自己。我國化學纖維工業(yè)“十一•五”發(fā)展規(guī)劃中提出了“從以增加數(shù)量為主轉向大力發(fā)展高新技術纖維”，特別是把事關國家產業(yè)安全的高新技術纖維材料作為重中之重，而且碳纖維被列為首位，是國家迫切需要短期內突破的高新技術纖維品種，為我國碳纖維的發(fā)展創(chuàng)造了條件，我們要抓住這一機遇，自力更生、努力創(chuàng)新，發(fā)展具有自己知識產權的碳纖維，以滿足不斷增長的市場需求。國家“863 計劃”以及有關部委都在關心我國碳纖維工業(yè)的發(fā)展及其產業(yè)化步伐，并給予強有力的支持，許多材料專家也扎扎實實的做了許多工作。“十一五”期間，我國又啟動了相關“973計劃”。相信“十一五”將是我國碳纖維工業(yè)產業(yè)化的黃金時代。