21世纪最有诱惑力的新材料_碳纤维

碳纤维行业深度研究报告一、新材料之王：碳纤维性能优异，复合材料应用广泛碳纤维在可量产纤维材料中性能最佳，是目前工程上可以大规模应用的比强度最高的材料，其具有优异的物理、化学性能，在军工及民用领域都有着广泛的应用，被称为21世纪的“黑色黄金”。

碳纤维复合材料即以碳纤维为增强体，以树脂、碳质、金属、陶瓷等为基体所形成的复合材料，在结合增强体与基体优异性能的同时，应用范围更加广泛。

1.1碳纤维性能优异，PAN基碳纤维占据主流地位碳纤维：“新材料之王”。

碳纤维（CarbonFiber）是由聚丙烯腈（PAN）等有机纤维在1000~3000℃高温的惰性气体氛围中经氧化碳化后制成的，含碳量在90%以上的无机高分子纤维，是目前可以获得的最轻的无机材料之一。

碳纤维的比强度和比模量等力学性能优异，且具有低密度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、高导电导热性、低热膨胀系数、高电磁屏蔽性等特点，其易加工、可设计的性能使其广泛应用于航空航天、军工、能源、体育用品、汽车工业、轨道交通和建筑补强等领域，是国防军工和国民经济不可或缺的战略新兴材料，被誉为“新材料之王”。

按照原料不同，碳纤维可分为PAN基、粘胶基、沥青基碳纤维。

按照原材料不同，碳纤维主要分为粘胶基（纤维素基、人造丝基）、沥青基（各向同性、中间相）和聚丙烯腈（PAN）基三大类。

目前以聚丙烯腈为原料制成的PAN基碳纤维占据主流地位，产量占碳纤维总量的90%以上，如无特殊说明，本文所指碳纤维皆为PAN基碳纤维。

按照丝束大小，碳纤维可分为大丝束和小丝束碳纤维。

一般按照碳纤维中单丝根数与1000的比值命名，如12K指单束碳纤维中含有12000根单丝的碳纤维。

通常将24K及以下的碳纤维称为小丝束碳纤维，初期以1K、3K、6K为主，后逐渐发展为12K和24K，主要应用于国防军工等高科技领域以及体育休闲用品。

通常将48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K、60K、80K等（部分领域25K也可称为大丝束），主要应用于能源、交运、建筑等工业领域。

碳纤维是什么材料碳纤维是一种由碳元素纤维化制成的高强度材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀、耐高温等优良特性。

它被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材、建筑材料等领域，成为现代工业中不可或缺的材料之一。

首先，碳纤维是由有机聚合物纤维经过高温碳化而成的。

其主要原料为聚丙烯、聚丙烯腈等有机合成纤维，经过特殊工艺处理后，形成具有高度结晶度和完整结构的碳纤维。

这种材料具有非常高的比表面积和优异的机械性能，可以承受较大的拉伸和压缩力，同时重量却非常轻，是传统金属材料的数倍甚至数十倍。

其次，碳纤维的应用领域非常广泛。

在航空航天领域，碳纤维被广泛应用于飞机、导弹、卫星等航空器的结构材料中，因为其轻质高强的特性可以大幅减轻飞行器的自重，提高燃料利用率和飞行性能。

在汽车制造领域，碳纤维被用于制造汽车车身、底盘等部件，可以减轻汽车自重，提高燃油经济性和行驶稳定性。

在体育器材领域，碳纤维被用于制造高尔夫球杆、网球拍、自行车等，因为其高强度和轻质可以提高运动器材的性能。

在建筑材料领域，碳纤维被用于加固混凝土结构、制造建筑外墙板等，可以提高建筑材料的耐久性和安全性。

最后，随着科技的不断进步，碳纤维的应用前景将更加广阔。

随着碳纤维制造工艺的不断改进和成本的不断降低，碳纤维将会在更多领域得到应用，比如医疗器械、船舶制造、新能源领域等。

同时，碳纤维的再生利用和环保性能也将成为未来发展的重要方向，推动碳纤维材料行业的持续发展。

综上所述，碳纤维作为一种具有优异性能的材料，在现代工业中扮演着越来越重要的角色。

它的轻质、高强、耐腐蚀、耐高温等特性，使其在航空航天、汽车制造、体育器材、建筑材料等领域得到广泛应用，并且在未来有着更加广阔的发展前景。

碳纤维的发展将会推动相关产业的发展，为人类社会的进步做出更大的贡献。

碳纤维综述碳纤维指在化学组成中碳元素质量分数在 90%以上的纤维材料，是20世纪60年代开发成功的一种耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、高强度、高模量新型碳材料。

碳纤维可采用聚丙烯腈纤维（PAN 纤维）、沥青纤维、粘胶纤维或木质素纤维等经过氧化、低温碳化、高温碳化而制成。

广泛应用于航空航天、体育休闲用品和一般工业领域。

碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用。

碳纤维是上世纪 60 年代兴起的一种新型高性能材料，它具有很多优点，是一种理想的功能材料和结构材料。

起初是为宇航工业和军用飞机的需要发展起来的，但是如今己经广泛应用于商业、民用航空、文体、工业以及运输等领域，具有广阔的应用前景。

高性能碳纤维复合材料的开发应用，进一步促进了碳纤维工业的发展[1]。

[2]二：碳纤维的分类碳纤维一般按原料不同、性能、用途来进行分类。

具体分类如下：（1）碳纤维纸根据其原料不同分为：聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维三种。

（2）碳纤维按性能可分为：高性能碳纤维和低性能碳纤维。

其中高性能碳纤维有分为高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等类型。

低性能碳纤维分为耐火碳纤维、石墨碳纤维等类型。

（3）按用途不同分为五个等级：高模量（模量＞500GPa）、高强度（强度＞3GPa）、中模量（模量100～500GPa）、低模量（模量100～200GPa）、普通用途(模量＜100GPa ，强度＜1 GPa）[3]。

三：碳纤维的性能碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，是一种力学性能优异的新材料。

碳纤维具有一些非常优异的特性:抗拉强度高，可高达3000~4000MPa，比钢高4倍，比铝高6一7倍;弹性模量高，可高达600GPa;密度小、比强度高，碳纤维的密度是钢的1/4，是铝的1/2，比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍。

此外，还有耐高低温性能好，当温度高于400℃时，才出现明显的氧化，生成Co和Co2 ; 在非氧化气氛中，可在2000℃使用，即使在3000℃也不熔、不软;在-180℃下，钢铁都变得比玻璃脆，而碳纤维依旧很柔软; 耐腐蚀性强，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等，将碳纤维放在浓度为50%的盐酸、硫酸和磷酸中，200天后其弹性模量、强度和直径基本没有变化，其耐腐蚀性比黄金还好;热膨胀系数小、摩擦系数小和导热系数大，可以耐急冷急热，即使从3000℃降到室温也不会炸裂;导电性能好，电阻率为10-2 ~ 10-4Ω.cm;与其它材料相容性高、与生物的相容性好;又兼备纺织纤维的柔软，可加工性，设计自由度大，可进行多种设计，以满足不同产品的性能与要求。

原子力显微镜测量碳纤维形貌及粗糙度的方法作者：高瑞玲范洪涛来源：《科技创新与应用》2014年第35期摘要：文章介绍了一种利用原子力显微镜对微米级碳纤维表面进行形貌观察和粗糙度分析的方法。

实验介绍了一种样品转移制备的方法，采用直接定位单根碳纤维方法，采用轻敲模式，进行扫描测量。

结果表明，此种方法操作简单，高效实用，能够得到质量较高的碳纤维的表面形貌并分析其粗糙度。

关键词：原子力显微镜；碳纤维；形貌；粗糙度引言原子力显微镜（Atomic Force Microscope， AFM）是由Binning等人在描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope， STM）的基础上开发出的一种新型的、具有分子与原子级分辨率的显微镜。

AFM的基本原理是利用一个非常精细的针尖作为探针，当探针非常靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力，会使悬臂梁偏离原来的位置或运动状态发生变化，此时入射到悬臂梁上的激光也会随之发生偏转并投射到一个四象限的探测器上，随后根据扫描样品时探针的偏离量重建三维图像，就能获得样品表面的形貌。

由于原子力显微镜样品制样简单，是人类观察微观世界很好的工具，自其问世以来，在很多的领域都得以应用。

碳纤维是由称之为微晶或微纤的类石墨晶体和有序的碳组成的自身复合材料，其碳含量在90%以上。

它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。

碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料，可作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。

碳纤维具备很多的优点，已经广泛应用于民用、军用、建筑，化工，工业，航天等领域，被称之为21世纪最具有诱惑力的新材料[1-3]。

对于碳纤维的表征方法有多种，相对于其他仪器，原子力显微镜显著的优点就是能够在大气环境下对样品进行检测，并且可以得到样品的三维形貌，进而分析样品表面信息，例如高度分布、粗糙度等。

一般的被测样品表面比较平整，测试中很容易找到下针的位置，得到样品的表面形貌，而要对直径为几个微米的碳纤维表面进行扫描就比较困难，下针的位置不好确定，容易损坏探针。

碳纤维的应用领域及前景 carbon fibre application作者(writer)：杨成刚 Gang chengyang摘要（Abrtrant）：1 碳纤维的成分结构2 碳纤维的应用领域3 碳纤维的发展前景关键词（Keywords）乱层石墨复合材料关键材料军工业民用行业潜力极大正文（Text）碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。

因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。

材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。

综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。

碳纤维编织布碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。

传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。

碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

碳纤维1994年至2002年左右，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。

现在国内已经有使用长纤碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处。

同时，碳纤维发热产品，碳纤维采暖产品，碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭。

碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。

第11期(总第138期)№11(Serial№138)福　建　轻　纺TheLi ght&TextileIndustriesofFu jian2000年11月NOV.2000碳纤维———一种高性能的新兴工业材料朱泽贺　武立付　马玉梅(蚌埠神风工业用布集团,安微蚌埠233010)(蚌埠第二麻纺厂,安微蚌埠) 摘要:介绍了新兴工业材料碳纤维的性能特点、应用概况、制造工艺、以及国内外发展现状。

关键词:碳纤维;前驱体;制造工艺;预氧化;碳化中图分类号:TS102.4+3文献标识码:A文章编号:10072550X(2000)11200012040　前言碳纤维是一种高科技含量的新兴工业材料,具有多种优异的性能特点:(1)低比重、高强度和高模量;(2)耐高温、耐腐蚀、耐摩擦和耐疲劳;(3)振动衰减性高、电与热传导性高、热膨胀系数低;(4) X光穿透性高,且为非磁性材料,并有着很强的电磁遮蔽性等等。

尤其是碳纤维在具备很高强度的同时,还能呈现出良好的刚性;并且在高性能纤维行列中,有着最高的比强度(强度/密度)和比模量(模量/密度)。

正是因为碳纤维所拥有的突出性能,使其在飞机、导弹、油田装备、纺织机械、防腐化工设备、汽车部件、精密仪器、防静电制品、建筑材料以及运动器材、娱乐用品等众多领域及产品中得到广泛应用,并且越来越受到人们的重视和青睐。

即使在对材料性能要求极为苛刻的航天工业中,碳纤维也同样占有十分重要的位置。

1　碳纤维的分类及特点碳纤维与芳纶、硼纤维、凯芙拉等同属于高性能特种材料,它是利用粘胶纤维、聚丙烯晴纤维和沥青纤维等有机纤维,在惰性气体(氮气)中经过高温状态碳化而成。

碳纤维通常是以连续的长丝形态生产,这就要求上述有机纤维应先由原料制成长丝纤维,这种长丝状的纤维则称为碳纤维的前驱体。

能够达到工业化生产的碳纤维,根据其不同的前驱体,可主要分为粘胶基碳纤维(Rayon CF)、聚丙烯晴基碳纤维(PANCF)和沥青基碳纤维(PitChCF)等三大类。

课程基本情况· 课程名称：陶瓷基复合材料· 课程性质：专业选修· 教学对象：大四，材料科学与工程· 总学时：24学时课程思政教学整体设计思路（一）教学设计：目前陶瓷基复合材料在航空航天、军事武器、核工业等高技术领域，以及化工、机械、交通等民用和工业领域占据重要地位。

本课程主要介绍陶瓷基复合材料的原理、工艺、性能与设计，从陶瓷基复合材料概述出发，讲解所涉及的主要增强体材料和基体材料，进而针对强韧化和界面两个重要问题讲述陶瓷基复合材料的复合原理和结构设计，最后采用案例教学的方式讲述典型几类陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料的制备工艺、面临的主要问题及解决方法等。

通过课程学习，学生不仅能够学习陶瓷基复合材料的增韧机制、制备方法和性能评判准则，而且能够使学生根据复合材料的强韧化机理，选择基体和增强体，通过界面设计等解决陶瓷基复合材料的设计、制备以及工程问题。

在课程思政改革方面，本课程从陶瓷基复合材料领域的卓越成就、大师魅力和工匠精神三个方面，采用两次主题讲座和一次课堂讨论的形式，在专业教学中穿插课程思政教学内容，使学生了解和掌握中国选择中国特色社会主义现代化发展道路的历史必然性，并充分领略陶瓷基复合材料在高技术领域的重要性和先进性，从而增强大学生立志投身于先进陶瓷材料的学习，将个人的成才梦有机融入实现中华民族伟大复兴的中国梦的思想认识；通过分析国家发展方向和目前复合材料的瓶颈，让学生明白将来从事的工作要承担怎样的责任，引导学生树立严谨求实的态度和理念。

课程将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体，在丰富学识，增长见识的同时，帮助学生树立正确的人生观、世界观和价值观，见下图。

《陶瓷基复合材料》中课堂教学与课程思政教学的有机结合课程思政典型教学案例（一）案例名称《陶瓷基复合材料》第二章增强材料部分“高性能碳纤维增强材料”（二）案例教学目标1、课堂教学目标能够掌握碳纤维的结构、性能优势、制备方法，尤其是关键制备步骤的作用与控制；深入了解全球碳纤维产业及其发展现状，以及我国碳纤维产业发展所面临的挑战和机遇。