碳纤维技术发展及应用分析

胡春燕 王方丽 闫桂林(山东晨阳新型碳材料股份有限公司，山东 济宁 272000)

0 引言

碳纤维材料具有极高的使用性能。此类物体通过其性能的不同，有不同的用途。其特点主要呈现在耐腐蚀，耐高温，材质轻盈，高比模量，超高强度以及出现膨胀现象的可能性较低等。上世纪50 年代初期，碳纤维材料作为军用物品制作原料出现，随着科学技术的不断提升，碳纤维制作用品逐渐实现在航空领域以及生活用品中，并且还渗透进了能源生产、交通、工业与农业生产中。基于此，在我国社会不断发展的如今，碳纤维技术在国家战略新型材料的研发与使用中具有颇高的地位，享有材料之王的称号。

1 碳纤维的产品形式

1.1 碳纤维编织材料

目前，市场上对碳纤维的生产形势总共分为四种形势体现。主要包括布料、短切纤维与预浸料坯、纤维。其中，布料主要是指利用碳纤维制成的产品。

1.2 碳纤维产品性能

碳纤维可以增强的复合材料主要包括陶瓷基复合材料、C/C 复合材料、金属基复合材料和树脂基复合材料等，它们的主要用途，详见表1。

表1 碳纤维的主要用途及应用形态、种类

(1)陶瓷基复合材料中的碳纤维可以有效的增强陶瓷韧性，能增加陶瓷的易脆性，能有效的防止陶瓷中的裂纹快速蔓延、扩散。陶瓷材料也使用碳纤维来增强碳化硅材料这项技术在国内外是比较成熟的，大量用于航空事业中如航空发动机、航空飞行器可以重复使用应用比较广泛。

(2)由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成得复合材料，主要组成成分为各类碳，也就是纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种材料在具备高强度、高刚性，尺度稳定以外，也有抗氧化、耐磨损得特性，在有较高的断裂韧性和假塑性的同时，也具备了在高温环境中，强度高、不溶不燃。因此被应用到导弹弹头，固定火箭发动机喷管和飞机刹车盘等重要领域。

(3)针对所需材料的耐冲击能力、韧性等所需条件为出发点，发现对碳纤维在增强金属基复合材料有一定的作用。

(4)碳纤维增强聚合物具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀和热力学性能好等优点，在结构材料和高温烧蚀材料中得到了广泛的应用。碳纤维增强树脂复合材料的树脂基体主要包括热固性树脂和热塑性树脂。碳纤维增强热塑性塑料是以碳纤维为分散体，热塑性塑料为基体的纤维增强塑料。碳纤维增强热塑性拥有属性具有强度高、刚性好、蠕变小、热稳定性好、线膨胀系数小、抗摩擦磨损性能好、对磨损零件无损伤、阻尼性能优异等特点。

2 碳纤维的应用领域

2.1 宇航领域

宇航领域中，碳纤维的重量轻，刚性比较好、整体稳定性和散热性能比较好，所以碳纤维很早就被用于人造卫星中了。由于碳纤维耐高温被用于航空火箭的发动机的壳体和喷管上，并且运用到卫星的天线、构架、卫星和火箭的结合部分、太阳能的底板上；还用到航天飞机机翼前缘和机舱门、飞机机头等部分。

2.2 航空领域

碳纤维作为民用飞机和军用飞机的传统应用领域。比如空客A380 飞机35t 材料中的碳纤维复合材料约占20%以上，这其中包含机尾组件和受压舱壁、中央翼盒。在新一代的飞机中碳纤维复合材料增加。以及，在中小型喷气飞机中的碳纤维需求明显在增加。

2.3 土木建筑领域

由于碳纤维成本降低以及复合材料制造技术得迅速发展，碳纤维复合材料在土木建筑领域得到广泛应用。元钢被碳纤维复合材料棒替代，由于碳纤维复合材料的特殊性，使用碳纤维维复合材料层板加固、修复桥梁和建筑物取得了良好的成效，后期，如果将碳纤维合理应用增强混凝土技术作业中，将会取得更大的发展空间。

2.4 工业领域

相对于宇航和体育休闲用品相比，目前在工业中对碳纤维的需求在不断的增加。包括油气的开采、复合材料的辊子、基础设施、压力容器、以及航海设施的不断发展，在这个领域中大量运用碳纤维使碳纤维在不断的增长。碳纤维主要用于计算机的制造、手机生产、办公用品等，并且在静电消散和电磁屏蔽方面的运用在不断的增加[1]。

2.5 交通运输领域

针对交通运输行业中的碳纤维应用，主要寄希望于汽车行业的大力推广使用。现如今，我国国内的各大主要汽车生产厂家，将碳纤维复合材料立志为最新开发的节能材料，并且出现了一种争先开发的竞争局面。这种局面的出现，意味着我国未来的汽车在节能环保方面更具竞争性。

2.6 能源领域

当前，电阻率为10-3～10-2Ω/cm 的碳纤维纸是一种高性能的碳纤维纸，通常称为高导电碳纤维纸。被进行大范围的推广与使用。

2.7 体育休闲领域

在亚洲，用于制造运动休闲产品的碳纤维比世界上任何其他地区都多。在亚洲，特别是在中国，碳纤维越来越多地用于制造管状复合材料物体，如高尔夫俱乐部和网球拍，其他体育用品包括钓鱼杆、箭头、滑雪装备、赛车、自行车架、球拍、棒球棒和运动墙。

3 未来碳纤维技术发展前景

3.1 坚持自主创新是发展我国碳纤维的唯一出路

因此，美国于20 年前就已颁发了针对碳纤维进口的相关规定。规定本国国防与工业生产方面所需的碳纤维材料必须自己生产。随后，德国与法国等多个国家进入自主研发阶段，但是，针对核心技术的把握仍待精细化。针对此方面的核心技术仍然把握在日本国家。截止到目前，导致许多国家在面对原丝核心技术的开发时，仍然力不存心。国内技术的发展无法得到研发技术的有效支持，只能依靠进口来实现。因此可以说，我们国家不能单单依靠引进的相关技术来实现制造行业的发展，更要自立自强，自给自足，刻苦钻研新的技术。

3.2 坚持“产、学、研”相结合的原则

目前，碳纤维研发在我国多所高校、研究院所的实验室中，小试以及中试中的成果，都有非常明显的进步，但是却没有完全实现真正实现产业化现像。因此，将高校以及研究所所研究的成果与企业研究成果结合起来，实现共同开发的目的。将社会资源进行充分利用，以“产、学、研”为研发基础，在攻关合作的模式下，从根本上将产业化与碳纤维之间存在的问题进行有效解决，进而实现对各方技术实现互通，最终实现科研工作与生产环节紧密联系。

3.3 研发要从源头抓起

聚丙烯腈基碳纤维材料，必须要从聚丙烯腈基碳纤维的原丝质量抓起。聚丙烯腈基碳纤维表面光洁无暇和好强化致密化、原丝高纯化是制造高性能碳纤维的主要任务。碳纤维的质量受原丝的质量影响，使得生产成本增加，在聚丙烯腈基碳纤维生产中炭化比率一般占45%左右，聚丙烯腈基碳纤维原丝却要占总成本的50%～65%。好的聚丙烯腈基碳纤维原丝是制造高性能的碳纤维中不可缺少的条件之一。

3.4 建立适合我国市场特点的技术和产品体系

国内的碳纤维需要研发出符合国内市场特点的产品体系和相关的质量标准，确保一般工业运用和体育用品不同技术上的需求、并且要满足航天航空需要。

4 结语

综上所述，由于碳纤维被广泛使用从航天航空领域不断扩展到人类社会的各个领域，便逐渐适应市场的需求，进而实现不断的自主创新能力，并且在产品研发和对标式技术的自主品牌创新的过渡，目前研发专用碳纤维技术在市场上有很大的发展前景，不断改进碳纤维中的不足，提升碳纤维材料的整体的性价比，以及提升复合材料的综合性能等等，国产碳纤维在技术发展需要寻求技术突破。