碳纤维研究及发展现状

唐 佳，陈玉祥

（西南石油大学，四川成都 610500）

碳纤维研究及发展现状

唐 佳，陈玉祥

（西南石油大学，四川成都 610500）

碳纤维因其优良的性能被广泛运用于各行各业中。简述了碳纤维的发展现状，碳纤维种类、生产方式以及碳纤维表面处理工艺。PAN基碳纤维和沥青基碳纤维是生产最多和使用最多的碳纤维，在碳纤维生产过程中会进行上浆处理，以减少机械摩擦引起的毛丝和单丝断裂现象，使碳纤维使用性能更好。

碳纤维；PAN基碳纤维；沥青基碳纤维；上浆处理

碳纤维是将聚丙烯晴、沥青等有机纤维在1 000～3 000℃高温的惰性环境中，分解碳化成无机高分子纤维，其含碳量在90%以上，是国际认可的现代高科技领域典型新材料的代表。碳纤维具有超高导电能力、抗腐蚀、耐磨损、耐高温、质量轻的优异性能，在2 000℃高温的惰性环境下能保持强度不发生变化的材料[1]，被广泛地运用到航空航天、汽车风电、医用设备、建筑补强以及石油化工等各个领域。碳纤维的推广进一步推动着全球经济以及工业文明的快速发展，尤其是碳纤维在军事领域中的运用，利用碳纤维制造出了性能更好的军工装备，增强国防实力。

1 碳纤维发展现状

碳纤维在国外的发展较为迅速，其中以日本东丽、德国SGL、三菱丽阳、台塑集团以及日本帝人为主，这些集团掌握了碳纤维研发生产的关键技术，实现了碳纤维制造的规模化生产，碳纤维总产量更是占全球市场份额60%，成为碳纤维制造生产和对外输出的主要供应商[2]。因碳纤维优异的性能，许多国家开始对碳纤维生产技术的自主研发，但因未掌握制造的关键，加上碳纤维发展快速国家对技术的严格保密，使这些国家在研发碳纤维的进程上发展缓慢。

我国碳纤维的研究始于二十世纪六十年代，因受当时经济条件及设备的影响，碳纤维研发进展不大。改革开放后，国家整体的经济水平得到提升，加大了对碳纤维的财政支持，2010年我国碳纤维的产能7 071t，为我国实现碳纤维工业化生产奠定了基础，初步实现碳纤维的国产化，2008年我国将碳纤维列入化纤行业重点扶持项目，随后完成了“十一五”规划中碳纤维T300生产线，在“十三五”规划中制定了完成碳纤维T700以上百吨生产线的目标，指定了我国碳纤维发展方向及目标[3]。

2 碳纤维分类

根据前驱体的不同碳纤维可以分为四大类：PAN基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维以及酚醛基碳纤维。

根据力学性能可将碳纤维分为：超高模量碳纤维、高强度碳纤维、高模量碳纤维、超高强度碳纤维、高性能碳纤维和通用碳纤维，其中超高模量碳纤维的模量需大于450GPa，超高强度碳纤维的强度需大于4 000MPa。根据丝束可分为1K-24K的小丝束纤维和48～480K的大丝束纤维[4]。

3 碳纤维表面处理

碳纤维表面缺乏化学活性官能团，呈惰性，浸润性差，界面黏结强度低，通过表面处理能增加表面粗糙度，引入极性基团，增强表面活性。常用的表面改性方法有液相氧化法、等离子体法、聚合物涂层法、物理射线辐照法以及气相氧化法等[5]。碳纤维在生产加工成复合材料的过程中，由于机械摩擦易产生毛丝和单丝断裂现象。毛丝的存在导致碳纤维的浸润性差，制备而成的复合材料容易产生孔隙，导致力学性能降低。因此，除表面改性处理外，生产过程中通常要对碳纤维进行上浆处理，在碳纤维的表面涂上一层保护胶，改善纤维表面的物理和化学性能，根据上浆剂用溶剂不同可分为乳液型上浆剂、溶剂型上浆剂和水溶性上浆剂三种类型[6]。

4 碳纤维的作用领域

因碳纤维优异的性能，被广泛用于各个领域，包括生活休闲、工业、交通和军事等方面。如：碳纤维材料质量轻，在生活中常被用于制造羽毛球拍、自行车、滑雪板以及游艇等。在工业上，碳纤维常被用于混凝土结构补强、飞机制造、风力发电以及汽车制造。碳纤维作为一种新型的建筑加固材料，因其耐腐蚀、高模量和易加工性，被广泛的用于结构补强中，提高混凝土承载能力和抗弯能力，减少地震带来的危害。

利用碳纤维材料生产的自行车，尺寸稳定性高，塑性变形小，回弹性好，自行车的质量轻，流线型设计使骑行过程阻力小，速度更快[7]。同时，因质量轻性能好，也被用作飞机制造材料，在减轻质量的同时，节能减排，降低成本。据统计，已有70%～80%的直升飞机和商务飞机使用了碳纤维复合材料。

5 结论

碳纤维性能优异，随着经济的快速发展，应用范围不断扩大，需求量不断增长。我国应大力发展碳纤维行业，研发出强度更高、模量更大的碳纤维，以满足各行业对碳纤维的需求，同时，升级设备，增加设备数量，建立更多碳纤维生产线，以缓解我国碳纤维依靠进口的现状。

[1] 李建利，张新元，张元，等.碳纤维的发展现状及开发应用[J].成都纺织高等专科学校学报，2016，33（2）：158.

[2] 黄泽翠，代君.碳纤维市场现状和前景分析[J].精细与专用化学品，2016，24（6）：13.

[3] 谢丰远，冯小录.有关碳纤维发展现状及市场的分析和探究[J].民营科技，2016，（11）：88.

[4] 孙敏.碳纤维技术发展及应用分析[J].煤炭加工与综合利用，2014，（8）：17.

[5] 代志双，李敏，张佐光，等.碳纤维上浆剂的研究进展[J].航空制造技术，2012，20：95.

[6] 刘化虎，吴相升，宋会青.碳纤维用上浆剂研究进展[J].安徽化工，2016，42（2）：11.

[7] 顾良娥，周恒香.碳纤维复合材料在自行车上的应用[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2016，（2）：264.

Research and Development of Carbon Fiber

Tang Jia，Chen Yu-xiang

Carbon fiber is widely used in all walks of life because of its excellent properties.The development of carbon fiber，the types and production methods of carbon fiber and the surface treatment process of carbon fiber are briefly described.PAN based carbon fiber and asphalt base carbon fiber production and use of carbon fiber is the most most，in the production process of carbon fiber for sizing processing，to reduce the mechanical and filament mono filament breakage due to friction，the use of carbon fiber for better performance.

carbon fiber；PAN based carbon fiber；pitch based carbon fiber；sizing treatment

TQ342.742-1

A

1003–6490（2017）10–0063–01

2017–06–25

唐佳（1993—），女，四川德阳人，硕士在读，主要研究方向为腐蚀与防护。