碳纖維的相關(guān)知識

1、碳纖維2013級紡織工程胡家豪走進(jìn)碳纖維碳纖維（碳纖維（carbon fibrecarbon fibre），是一種具有很高強(qiáng)度和模量的），是一種具有很高強(qiáng)度和模量的耐高溫纖維，為化纖的高端品種。顧名思義，它不僅具有耐高溫纖維，為化纖的高端品種。顧名思義，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。它與傳統(tǒng)的玻璃纖維（是新一代增強(qiáng)纖維。它與傳統(tǒng)的玻璃纖維（GFGF）相比，楊）相比，楊氏模量（是描述固體材料抵抗形變能力的物理量）是其氏模量（是描述固體材料抵抗形變能力的物理量）是其3 3倍多；它與凱芙拉纖維（倍多

2、；它與凱芙拉纖維（KF-49KF-49）相比，不僅楊氏模量是）相比，不僅楊氏模量是其其2 2倍左右，而且在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕倍左右，而且在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。有學(xué)者在性出類拔萃。有學(xué)者在19811981年將年將PANPAN基基CFCF浸泡在強(qiáng)堿浸泡在強(qiáng)堿NaOHNaOH溶液中，時(shí)間已過去溶液中，時(shí)間已過去2020多年，它至今仍保持纖維形態(tài)。多年，它至今仍保持纖維形態(tài)。碳纖維的特點(diǎn)碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐密度低、比性能高，無蠕變，非氧

3、化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X X射線透過性好。射線透過性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。碳纖維的分類碳纖維按原料來源可分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維按原料來源可分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維；按性能可分為通用型、高碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維；按性能可分為通用型、高強(qiáng)型、中模高強(qiáng)型、高模型和超高模型碳纖維；按狀態(tài)分為長

4、絲、短強(qiáng)型、中模高強(qiáng)型、高模型和超高模型碳纖維；按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為強(qiáng)度為10001000兆帕、模量為兆帕、模量為100G100G帕左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型帕左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度（強(qiáng)度20002000兆帕、模量兆帕、模量250G250G帕）和高模型（模量帕）和高模型（模量300G300G帕以上）。強(qiáng)度帕以上）。強(qiáng)度大于大于40004000兆帕的又稱為超高強(qiáng)型；模量大于兆帕的又稱為超高強(qiáng)型；模量大于450G450G帕的稱為超高模型。帕的稱為超高模型

5、。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)高伸型碳纖維，其延伸率隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)高伸型碳纖維，其延伸率大于大于2%2%。用量最大的是聚丙烯腈。用量最大的是聚丙烯腈PANPAN基碳纖維。市場上基碳纖維。市場上90%90%以上碳纖維以上碳纖維以以PANPAN基碳纖維為主。由于碳纖維神秘的面紗尚未完全揭開，人們還基碳纖維為主。由于碳纖維神秘的面紗尚未完全揭開，人們還不能直接用碳或石墨來制取，只能采用一些含碳的有機(jī)纖維（如尼龍不能直接用碳或石墨來制取，只能采用一些含碳的有機(jī)纖維（如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等）為原料，將有機(jī)纖維與塑料樹脂結(jié)合在一起絲、腈綸絲、人造絲等）為原料，將有機(jī)纖

6、維與塑料樹脂結(jié)合在一起炭化制得碳纖維。炭化制得碳纖維。碳纖維的制備方式工業(yè)化生產(chǎn)碳纖維按原料路線可分為聚丙烯腈（工業(yè)化生產(chǎn)碳纖維按原料路線可分為聚丙烯腈（PANPAN）基）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，但主要生碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，但主要生產(chǎn)前兩種碳纖維。由粘膠纖維制取高力學(xué)性能的碳纖維必產(chǎn)前兩種碳纖維。由粘膠纖維制取高力學(xué)性能的碳纖維必須經(jīng)高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術(shù)難度大，設(shè)備復(fù)須經(jīng)高溫拉伸石墨化，碳化收率低，技術(shù)難度大，設(shè)備復(fù)雜，原料豐富碳化收率高，但因原料調(diào)制復(fù)雜、產(chǎn)品性能雜，原料豐富碳化收率高，但因原料調(diào)制復(fù)雜、產(chǎn)品性能較低，亦未得到大規(guī)模發(fā)展；

7、由聚丙烯腈纖維原絲制得的較低，亦未得到大規(guī)模發(fā)展；由聚丙烯腈纖維原絲制得的高性能碳纖維，其生產(chǎn)工藝較其他方法簡單，產(chǎn)量約占全高性能碳纖維，其生產(chǎn)工藝較其他方法簡單，產(chǎn)量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的球碳纖維總產(chǎn)量的90%90%以上。以上。碳纖維生產(chǎn)的產(chǎn)品u碳纖維自行車 碳纖維布u碳纖維板 碳纖維發(fā)熱體u碳纖維加固 碳纖維復(fù)合材料u汽車材料碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域碳纖維的發(fā)展前景國外世界碳纖維產(chǎn)量達(dá)到每年世界碳纖維產(chǎn)量達(dá)到每年4 4萬噸以上，全世界主要是日本萬噸以上，全世界主要是日本美國德國以及韓國等少數(shù)國家掌握了碳纖維生產(chǎn)的核心技美國德國以及韓國等少數(shù)國家掌握了碳纖維生產(chǎn)的核心技術(shù)，并且有規(guī)?；笊a(chǎn)。當(dāng)前，

8、全球碳纖維核心技術(shù)被術(shù)，并且有規(guī)?；笊a(chǎn)。當(dāng)前，全球碳纖維核心技術(shù)被牢牢掌控在少數(shù)發(fā)達(dá)國家手中。一方面，以美日為首的發(fā)牢牢掌控在少數(shù)發(fā)達(dá)國家手中。一方面，以美日為首的發(fā)達(dá)國家始終保持著對中國碳纖維行業(yè)嚴(yán)格的技術(shù)封鎖；另達(dá)國家始終保持著對中國碳纖維行業(yè)嚴(yán)格的技術(shù)封鎖；另一方面，國外碳纖維行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)開始進(jìn)入中國市場，中一方面，國外碳纖維行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)開始進(jìn)入中國市場，中國本土碳纖維企業(yè)的壓力大增。雖然中國加大了對碳纖維國本土碳纖維企業(yè)的壓力大增。雖然中國加大了對碳纖維行業(yè)的引導(dǎo)和扶持力度，但在較大的技術(shù)差距下，國產(chǎn)碳行業(yè)的引導(dǎo)和扶持力度，但在較大的技術(shù)差距下，國產(chǎn)碳纖維的突圍之路仍然坎坷。纖維的

9、突圍之路仍然坎坷。中國中國對碳纖維的研究開始于中國對碳纖維的研究開始于2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，年代，8080年代開始研究高強(qiáng)型碳年代開始研究高強(qiáng)型碳纖維。多年來進(jìn)展緩慢，但也取得了一定成績。進(jìn)入纖維。多年來進(jìn)展緩慢，但也取得了一定成績。進(jìn)入2121世紀(jì)以來發(fā)展世紀(jì)以來發(fā)展較快，安徽率先引進(jìn)了較快，安徽率先引進(jìn)了500500噸每年原絲、噸每年原絲、200200噸每年噸每年P(guān)ANPAN基碳纖維，使基碳纖維，使中國碳纖維工業(yè)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化。隨后一些地方相繼加入碳纖維生產(chǎn)行中國碳纖維工業(yè)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化。隨后一些地方相繼加入碳纖維生產(chǎn)行列。列。從從20002000年開始中國碳纖維向技術(shù)多元化發(fā)展，放棄

10、了原來的硝酸法原年開始中國碳纖維向技術(shù)多元化發(fā)展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術(shù)，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術(shù)獲得成絲制造技術(shù)，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術(shù)獲得成功。利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國產(chǎn)功。利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國產(chǎn)T700T700碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國際同類碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。隨著中國對碳纖維的需求量日益增長，碳纖維已被列為國產(chǎn)品水平。隨著中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(diǎn)扶持。家化纖行業(yè)重點(diǎn)扶持。20052005年全球碳纖維市場僅為年全球碳纖維市場僅為9 9億美元，而億美元，而20132013年達(dá)到年達(dá)到100100

11、億美元，預(yù)計(jì)到億美元，預(yù)計(jì)到20222022年有望達(dá)到年有望達(dá)到400400億美元，碳纖維復(fù)合材億美元，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也將進(jìn)入全新的時(shí)代。中國碳纖維產(chǎn)業(yè)化采取自主開發(fā)和引料的應(yīng)用也將進(jìn)入全新的時(shí)代。中國碳纖維產(chǎn)業(yè)化采取自主開發(fā)和引進(jìn)相結(jié)合的道路，到進(jìn)相結(jié)合的道路，到“十一五十一五“末期基本實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于日本末期基本實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于日本T300T300的國的國產(chǎn)碳纖維規(guī)模生產(chǎn)線，并且有一些企業(yè)已形成了產(chǎn)碳纖維規(guī)模生產(chǎn)線，并且有一些企業(yè)已形成了T700T700以上水平的百噸以上水平的百噸生產(chǎn)線。生產(chǎn)線。20112011年中國碳纖維市場規(guī)模達(dá)到年中國碳纖維市場規(guī)模達(dá)到68116811噸，然而，受供應(yīng)

12、不噸，然而，受供應(yīng)不足的影響，國內(nèi)碳纖維市場發(fā)展相對較為緩慢，預(yù)計(jì)未來足的影響，國內(nèi)碳纖維市場發(fā)展相對較為緩慢，預(yù)計(jì)未來幾年，隨著供應(yīng)量的提升，中國碳纖維行業(yè)的需求量也將幾年，隨著供應(yīng)量的提升，中國碳纖維行業(yè)的需求量也將保持著較快速度的增長。保持著較快速度的增長。技術(shù)的落后直接導(dǎo)致中國碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量與進(jìn)口產(chǎn)品之間技術(shù)的落后直接導(dǎo)致中國碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量與進(jìn)口產(chǎn)品之間的明顯差距，也極大地限制了國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品在高端領(lǐng)域的明顯差距，也極大地限制了國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。有數(shù)據(jù)顯示，中國碳纖維產(chǎn)品在應(yīng)用上集中于低的應(yīng)用。有數(shù)據(jù)顯示，中國碳纖維產(chǎn)品在應(yīng)用上集中于低端領(lǐng)域，在碳纖維質(zhì)量要求較高的航空航

13、天領(lǐng)域的應(yīng)用比端領(lǐng)域，在碳纖維質(zhì)量要求較高的航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用比例僅為例僅為3%3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒達(dá)到國際上碳纖維行業(yè)在航空航天領(lǐng)域，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒達(dá)到國際上碳纖維行業(yè)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用占比的平均水平應(yīng)用占比的平均水平; ;而在質(zhì)量要求相對較低的運(yùn)動休閑而在質(zhì)量要求相對較低的運(yùn)動休閑用品領(lǐng)域，碳纖維的應(yīng)用比例卻高達(dá)用品領(lǐng)域，碳纖維的應(yīng)用比例卻高達(dá)80%80%左右，四倍于國左右，四倍于國際上碳纖維在運(yùn)動休閑用品領(lǐng)域應(yīng)用的平均水平。但國產(chǎn)際上碳纖維在運(yùn)動休閑用品領(lǐng)域應(yīng)用的平均水平。但國產(chǎn)碳纖維落后的技術(shù)卻制約著中國碳纖維行業(yè)健康穩(wěn)健發(fā)展。碳纖維落后的技術(shù)卻制約著中國碳纖維行業(yè)健康穩(wěn)健發(fā)展。碳纖維自行車碳纖維自行

14、車（碳纖維自行車（Carbon BikeCarbon Bike）主要是中高檔的競賽用自）主要是中高檔的競賽用自行車，作為新興材料，碳纖維主要應(yīng)用于車架（碳架）、行車，作為新興材料，碳纖維主要應(yīng)用于車架（碳架）、前叉、輪組（碳刀車圈）等。前叉、輪組（碳刀車圈）等。碳纖維布碳纖維布又稱碳素纖維布、碳纖布、碳纖維編織布、碳纖碳纖維布又稱碳素纖維布、碳纖布、碳纖維編織布、碳纖維預(yù)浸布、碳纖維加固布、碳布、碳纖維織物、碳纖維帶、維預(yù)浸布、碳纖維加固布、碳布、碳纖維織物、碳纖維帶、碳纖維片材（預(yù)浸布）等碳纖維片材（預(yù)浸布）等 。碳纖維加固布是一種單向碳。碳纖維加固布是一種單向碳纖維加固產(chǎn)品，通常采用纖維加

15、固產(chǎn)品，通常采用12K12K碳纖維絲織造。碳纖維絲織造。碳纖維板碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)單向板材，其成型工藝是將碳纖維浸漬樹碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)單向板材，其成型工藝是將碳纖維浸漬樹脂后在模具內(nèi)固化并連續(xù)拉擠成型。采用優(yōu)質(zhì)碳纖維原料脂后在模具內(nèi)固化并連續(xù)拉擠成型。采用優(yōu)質(zhì)碳纖維原料與良好基本樹脂，碳纖維板材具有拉伸強(qiáng)度高、耐腐蝕性、與良好基本樹脂，碳纖維板材具有拉伸強(qiáng)度高、耐腐蝕性、抗震性、抗沖擊性等良好性能?？拐鹦浴⒖箾_擊性等良好性能。碳纖維發(fā)熱體碳纖維發(fā)熱體是一種純黑體材料，因此具有升溫迅速、熱碳纖維發(fā)熱體是一種純黑體材料，因此具有升溫迅速、熱滯后小、發(fā)熱均勻、熱輻射傳遞距離遠(yuǎn)、熱交換速度快等滯后小、發(fā)熱均

16、勻、熱輻射傳遞距離遠(yuǎn)、熱交換速度快等特點(diǎn)。工作過程中光通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬發(fā)熱體的電熱管，特點(diǎn)。工作過程中光通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬發(fā)熱體的電熱管，電熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)電熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98% 98% 以上。打開電源后升溫速度奇快，以上。打開電源后升溫速度奇快，在在1-21-2秒時(shí)機(jī)體已經(jīng)感到燙手，秒時(shí)機(jī)體已經(jīng)感到燙手，5 5秒鐘表面溫度可達(dá)秒鐘表面溫度可達(dá)300-300-700700度。度。碳纖維加固碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種。碳纖碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種。碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于8080年代美、日年代美、日等發(fā)達(dá)國

17、家。碳纖維加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是繼加大混凝土截等發(fā)達(dá)國家。碳纖維加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是繼加大混凝土截面、粘鋼之后的又一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。面、粘鋼之后的又一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。碳纖維復(fù)合材料碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成的結(jié)構(gòu)材料碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成的結(jié)構(gòu)材料簡稱碳纖維復(fù)合材料。簡稱碳纖維復(fù)合材料。汽車材料碳纖維材料也成為汽車制造商青睞的材料，在汽車內(nèi)外裝碳纖維材料也成為汽車制造商青睞的材料，在汽車內(nèi)外裝飾中開始大量采用。碳纖維作為汽車材料，最大的優(yōu)點(diǎn)是飾中開始大量采用。碳纖維作為汽車材料，最大的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，重量僅相當(dāng)于鋼材的質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，重量僅相當(dāng)于鋼材

18、的20%20%到到30%30%，硬度卻，硬度卻是鋼材的是鋼材的1010倍以上。所以汽車制造采用碳纖維材料可以使倍以上。所以汽車制造采用碳纖維材料可以使汽車的輕量化，取得突破性進(jìn)展，并帶來節(jié)省能源的社會汽車的輕量化，取得突破性進(jìn)展，并帶來節(jié)省能源的社會效益。效益。航空航天領(lǐng)域碳纖維復(fù)合材料以其獨(dú)特、卓越的理化性能，廣泛應(yīng)用在碳纖維復(fù)合材料以其獨(dú)特、卓越的理化性能，廣泛應(yīng)用在火箭、導(dǎo)彈和高速飛行器等航空航天業(yè)。例如采用碳纖維火箭、導(dǎo)彈和高速飛行器等航空航天業(yè)。例如采用碳纖維與塑料制成的復(fù)合材料制造的飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭等宇宙飛與塑料制成的復(fù)合材料制造的飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭等宇宙飛行器，不但推力大，噪音?。欢矣捎谄滟|(zhì)量較輕，所以行器，不但推力大，噪音小；而且由于其質(zhì)量較輕，所以動力消耗少，可節(jié)約大量燃料。動力消耗少，可節(jié)約大量燃料。體育領(lǐng)域應(yīng)用體育應(yīng)用中的三項(xiàng)重要應(yīng)用為高爾夫球棒、釣魚竿和網(wǎng)球體育應(yīng)用中的三項(xiàng)重要應(yīng)用為高爾夫球棒、釣魚竿和網(wǎng)球拍框架。其他的體育項(xiàng)目應(yīng)用還包括釣魚竿、羽毛球拍、拍框架。其他的體育項(xiàng)目應(yīng)用還包括釣魚竿、羽毛球拍、冰球棒、滑雪杖、射箭和自行車，同時(shí)，碳纖維還應(yīng)用在冰球棒、滑雪杖、射箭和自行車，同時(shí)，碳纖維還應(yīng)用在劃船、賽艇、沖浪和其他的海洋運(yùn)動項(xiàng)目中。劃船、賽艇、沖浪和其他的海洋運(yùn)