目录1.碳纤维概述 (2)1.1碳纤维性质 (2)1.2.碳纤维主要用途 (3)2.国际碳纤维产业分析 (6)2.1.全球产能状况 (6)2.2.全球需求 (7)3.碳纤维生产工艺技术 (9)3.1.PAN基碳纤维 (9)3.2.沥青基碳纤维 (10)3.3.碳纤维生产工艺特点 (10)3.4.碳纤维生产技术 (11)4.中国碳纤维发展状况 (14)4.1.PAN基碳纤维 (14)4.2.沥青基碳纤维 (15)5.国产碳纤维存在的问题 (16)6.结语 (16)参考文献 (17)碳纤维1.碳纤维概述碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料。
它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。
作为高性能纤维的一种，碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。
因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目[1]。
1.1碳纤维性质[2,3,4,5,6]碳纤维是一种力学性能优异的新材料。
他的比重不到钢的1/4，比铝还要轻，比强度是铁的20倍。
同钛、钢、铝等金属材料相比，碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，可以称为新材料之王。
因此，可以应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、GOLF球棒等体育休闲领域。
由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量，因而可显著提高燃料效率。
采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机以及卫星、火箭等宇宙飞行器，噪音小，而且因质量小而动力消耗少，可节约大量燃料。
据报道，航天飞行器的质量每减少1kg，就可使运载火箭减轻500kg。
碳纤维除了具有一般碳素材料的特性：耐高温, 耐磨擦, 导电, 导热及耐腐蚀等, 其外形有显著的各向异性, 柔软, 可加工成各种织物, 又由于比重小, 沿纤维轴方向表现出很高的强度, 碳纤维增强环氧树脂复合材料, 其比强度、比模量综合指标, 在现有结构材料中是最高的。
碳纤维还具有极好的纤度〔纤度的表示法之一是9000米长纤维的克数〕，一般仅约为19克, 拉力高达300kg/mm2。
目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能, 因此在旨度、刚度、重度、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温，化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料具备不可替代的仇势。
碳纤维的物理性质如下：(1)碳纤维的密度在1.5—2.0g/cm3之间，这除与原丝结构有关外，主要决定于炭化处理的温度。
一般经过高温(3000℃)石墨化处理，密度可达2.0g/cm3。
(2)碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同，它有各向异性的特点。
平行于纤维方向是负值(-0.72×10-6～-0.90×10-6 K-1)，而垂直于纤维方向是正值(32×10-6～22×10-6 K-1)。
(3)碳纤维的比热容一般为7.12×10-1KJ/(kg·K)。
热导率随温度升高而下降。
(4)碳纤维的比电阻与纤维的类型有关，在25℃时，高模量为775ìÙ/cm，高强度碳纤维为1500ìÙ/cm。
碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。
因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生化学腐蚀。
碳纤维的物理性质如下：碳纤维的化学性质与碳相识，它除能被强氧化剂氧化外，对一般碱性是惰性的。
在空气中，温度高于400℃时则出现明显的氧化，生成CO与CO2。
在不接触空气和氧化剂时，碳纤维具有突出的耐热性能，与其他材料相比，碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降，而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。
另外碳纤维还具有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化，它还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。
表1 不同种类碳纤维的力学性能1.2.碳纤维主要用途[7,8,9]1.2.1.高科技领域由于碳纤维复合材料密度低、刚性好合强度高，成为一种先进的航天材料。
我国对碳/碳烧蚀材料相关的科技问题进行了深入地研究，其研究成果已在导弹发射管、固体火箭发动机壳体、卫星和飞船上等得到应用。
1.2.2.飞机和汽车制造[10]碳纤维材料现在也成为汽车制造商青睐的材料，在汽车内外装饰中开始大量采用。
碳纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大，重量仅相当于钢材的20％～30％，硬度却是钢材的10倍以上。
所以汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展，并带来节省能源的社会效益。
业界认为，碳纤维在汽车制造领域今后的使用量会越来越大。
在1992年期间,航空应用中对碳纤维的需求开始有所减少,主要是受到了商业飞机业衰退的影响,但是在1995年起得到迅速的恢复。
航空应用中对碳纤维的需求正在不断增多，波音777飞机利用碳纤维做结构材料，包括水平和垂直的横尾翼和横梁，这些材料被称为“首要的结构材料”，所以对他们的质量要求极其苛刻。
对于波音777飞机，日本东丽公司是波音公司指定的唯一有资格的碳纤维制造商。
欧洲空客也在他们的飞机上使用了大量的碳纤维，东丽的TORAYCA碳纤维将被大量应用在新型客机A380上。
美国波音公司推出新一代高速宽体客机—“音速巡洋舰”，约60 %的结构部件都将采用强化碳纤维塑料复合材料制成，其中包括机翼。
它比铝轻，但强度不相上下。
我国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件，其性能已全面达到国外水平。
采用这一预制件技术所制备的的国产碳/碳刹车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机，并在B757-200型民航飞机上使用，在其它机型上的使用也在实验考核中，并将向坦克、高速列车、高级轿车、赛车等推广使用。
1.2.3.体育休闲用品体育应用中的三项重要应用为高尔夫球棒、钓鱼杆和网球拍框架。
目前,据估计每年的高尔夫球棒的产量为3400万副。
按照国家和地区分类,这些高尔夫球棒主要产地为美国、中国、日本和中国台湾,美国和日本是高尔夫球棒的主要消费地,占80%以上。
全世界40%的碳纤维高尔夫球棒都是由东丽公司的碳纤维制成的。
全世界碳纤维钓鱼杆的产量约为每年2000万副。
网球拍框架的市场容量约为每年600万副,其它的体育项目应用还包括冰球棍、滑雪杖、射箭和自行车,同时,碳纤维还应用在划船、赛艇、冲浪和其它的海洋运动项目中。
我国在20世纪80年代初开始研制碳纤维复合材料体育运动器材。
1987年中山大学与东莞玻璃厂合作研制成功了碳纤维/玻璃纤维混杂增强环氧树脂的蜂窝夹层结构四人皮艇。
但高尔夫球杆、钓鱼竿、鱼线轮、网球拍、羽毛球拍、自行车架等仍是碳纤维的主要用途。
1.2.4.碳纤维加固建筑结构我国从1997年开始从国外引进碳纤维复合材料加固混凝土结构技术，并开始进行相关研究。
由于其巨大的技术优势，近几年成为了研究和工程应用的热点。
国内已有数十个高校和科研院所开展了此项研究工作，并取得了一批接近国际先进水平的研究成果。
由于我国具有世界上最为巨大的土木建筑市场，碳纤维加固建筑结构的应用将呈现不断增长的的趋势。
1.2.5.碳纤维复合材料抽油杆有关数据表明，至2008年有8%～10%更新或新增的抽油杆用碳纤维复合材料抽油杆取代，共需碳纤维320～420t。
预测至2010年如果按15%的取代量计算，则碳纤维消耗量可达624t。
1.2.6.风力发电机叶片如今，世界上风力发电机组的发电机额定功率越来越大，与其相适应的风机叶片尺寸也越来越大。
为了减少叶片的变形，在主乘力件如轴承和叶片的某些部位采用碳纤维来补充其刚度。
我国‘十五’期间的风机装机总容量已达到1.5GW，因而碳纤维在风力发电机叶片上的应用前景看好。
1.2.7.其他应用在铁路建筑中,大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用,这些也将是碳纤维很有前景的应用方面。
压力容器主要用在汽车的压缩天然气(CNG)，罐上,而且还用在救火队员的固定式呼吸器(SCBA)上。
CNG罐源于美国和欧洲国家, 现在日本和其他的亚洲国家也对这项应用表现出了极大的兴趣。
碳纤维的其它应用包括机器部件、家用电器、微机及与半导体相关的设备的复合材料的生产,可以用来起到加强、防静电和电磁波防护的作用。
另外,在X射线仪器市场上,碳纤维的应用可以减少人体在X 射线下的暴露。
2.国际碳纤维产业分析根据原料及生产方式不同，碳纤维主要分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维等。
但主要生产前两种碳纤维。
2.1.全球产能状况[11]据了解，目前全球碳纤维产能约3.5万t/a，预计到2015年, 其生产能力将达7.1万吨/年, 但需求增长更快, 仍不能满足需求。
我国市场年需求量6500t左右，属于碳纤维消费大国。
但我国碳纤维2007年产能仅200t左右，而且主要是低性能产品，没有形成规模化产业，绝大部分依赖进口，价格非常昂贵。
比如标准型T300 市场价格曾高达4000～5000元/kg。
由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，国内企业目前尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。
我国碳纤维的质量、技术和生产规模与国外差距很大，其中高性能碳纤维技术更是被西方国家垄断和封锁。
2008年我国全面启动和实施的大飞机重大专项整体配套项目中，包括了碳纤维在内的诸多化工新材料项目。
许多碳纤维研究项目或千吨级产业化项目纷纷启动。
然而，由于我国碳纤维行业缺乏具有自主知识产权的核心产业化技术，产业发展不会一蹴而就，但发展契机已到。
国家发展改革委于2008-2009 年组织实施高性能纤维复合材料高技术产业化专项，重点支持碳纤维、芳纶、高强聚乙烯纤维及其高性能复合材料的生产技术及关键装备的产业化示范，以满足国民经济以及航空航天等高技术产业发展的需求，培育一批具有国际竞争力的龙头企业。
2.1.1PAN基碳纤维日本、美国的碳纤维生产商及我国台湾的台塑集团均自行生产PAN原丝，保障了碳纤维的品质及其稳定性，并有效地控制了产品的制造成本。
据预测，2008 — 2010年间，碳纤维小丝束（1K/3K/6K/12K/24K）的产能将增加1.9万t，2010年的理论产能将达到7.01万t。
日本东丽公司作为碳纤维行业的先行者，为确保领先地位，计划投资额约占全球碳纤维生产总投资额的33%；日本东邦Tenax公司在日本本土、欧洲和美国都投入了碳纤维工厂的建设，约占全球产能总投资的20%。
3家日本公司（东丽、东邦Tenax和三菱人造丝）的产能投资约占全球小丝束新产能的67%，而两家美国公司（Hexcel公司和Cytec公司）仅占16%，我国台湾的台塑公司约占12%。
美国Zoltek公司近年来不断创新，特别是在风能叶片等产业用领域寻求新发展。
