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碳纤维的发展及其应用现状
httpwww.cnfrp.net发布日期2006-03-06
前言
1959年，日本人ShindoA首先发明了用聚丙烯腊(PAN)纤维制造碳纤维，如今碳纤维已发展成为独立完整的新型工业体系，并被喻为是当今世界上材料综合性能的顶峰，是21世纪的黑色革命。美国提出21世纪革命性的材料技术共有12项，其中“新一代碳纤维、纳米碳管”位居第四。
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，分子结构界于石墨与金刚石之间，含碳体积分数随种类不同而异，一般在0.9以上。碳纤维的显著优点是质量轻、纤度好和抗拉强度高，同时具有一般碳材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等。由于碳纤维这些优异的综合性能，使其与树脂、金属、陶瓷等基体复合后形成的碳纤维复合材料，也具有高的比强度、比模量、耐疲劳、导热、导电等一系列优良性质，在现代工业方面应用非常广泛。
1碳纤维的分类与性能
1．1碳纤维的分类
(1)按力学性能可分为4类
①超高模量（UHM）碳纤维；
②高模量（HM)碳纤维；
③超高强度（UHS)碳纤维；
④高强度（HS）碳纤维。
(2)按原材料可分为3类
PAN碳纤维、沥青碳纤维和人造丝碳纤维。均由原料纤维高温碳化成，成分基本都是碳元素，其主要性能见表1,目前结构复合材料中大多数使用PAN碳纤维。
(3)按用途可分为2类
24K以下为宇航级小丝束碳纤维(1K为1000根单丝）；48K以上为工业级大丝束碳纤维。
1.2碳纤维的主要性能
①强度高。其抗拉强度在3500MPa以上．
②模量高。其弹性模量在230GPa以上。
③密度小，比强度高。碳纤维的密度是钢的14,是铝合金的12，其比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍。
④能耐超高温。在非氧化气氛条件下，碳纤维可在2000℃时使用，在3000℃的高温下不融熔软化。
⑤耐低温性能好。在180℃低温下，钢铁变得比玻璃脆，而碳纤维依旧很柔软．
⑥耐酸性能好。能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为50％的盐酸、硫酸和磷酸中，200d后其弹性模量、强度和直径基本没有变化：在50％浓度的硝酸中只是稍有膨胀，其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。此外，碳纤维的耐油、耐腐蚀性能也很好。
⑦热膨胀系数小，导热系数大。可以耐急冷急热，即使从3000℃的高温突然降到室温也不
会炸裂。
＠防原子辐射，能使中子减速。
⑨导电性能好(5-17μΩm）。
⑩轴向抗剪切模量较低，断裂延伸率小，耐冲击差，并且后加工较为困难。
2国内外发展状况
2.1国外发展状况
目前，碳纤维工业化产品是PAN基和沥青基两种，日本是生产高性能碳纤维的大国，而美国是消费高性能碳纤维的大国。1959年日本大阪工业研究所进藤博士用美国PAN奥纶为原料研究开发PAN基碳纤维，日本群马大学大谷教授在1963年利用煤焦、石油炼制的副产品沥青研究开发成功沥青基碳纤维。1965-1967年美国的UCC公司曾以粘胶纤维为原料研究开发了粘胶纤维基碳纤维．但未推广。碳纤维的生产始于20世纪60年代末70年代初，当时以粘胶纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化制成碳纤维，主要在火箭喷嘴防止热气流传导使用。
1971-1983年，日木东丽公司、东邦人造丝公司和三菱人造丝公司分别利用本国的研究成果建厂，进行了碳纤维的工业化生产，其后又各自与美国、德国和英国合作，建立子公司生产碳纤维。日本碳纤维主要用于体育器具如高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍框，欧美则用于航空和航天工业。
1980年前，波音公司将碳纤维用于757飞机作部件，1985-1990年欧美在航空、航天业碳纤维用量不多，但对其复合材料产品性能的提高和加工技术都进行了深入的研究。1995年后波音公司民航客机767和777的机体、机翼、翼尾等都应用了碳纤维，另外在航天通信卫星上也开始应用。
在1970年代末，英国Courtaulds公司进行大丝束碳纤维的研究，1985年开发出了48K以上大丝束碳纤维，其性能可达到T300的水平，但原丝价格仅为6K小丝束碳纤维的12，大幅度降低了通用级碳纤维的成本，使其进入一般工业领域成为可能。进入1990年代，大丝束碳纤维的发展获得重大突破，大丝束碳纤维的抗拉强度己为3200-3800MPa,欧美等国在建筑业等多个领域取代小丝束碳纤维取得成功，又由于大丝束碳纤维的价格也比一般小丝束碳纤维低得多，因此近年来，大丝束碳纤维发展迅速，年产能力从1996年的200t增长到2003年的8500t,美国Akzo,Zoltek和Aldila这三大公司的产量己占全球大丝束碳纤维总量的70％以上。大丝束碳纤维的主要生产国是美国、德国与日本，产能情况如表2所示，其产量大约是小丝束碳纤维产量的33％左右。
表1各种材质碳纤维的主要性能
种类抗拉强度Mpa抗拉模量Gpa密度(g