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功能复合材料碳纤维复合材料一， 前景简介碳纤维是50年代末60年代初间世的一种纤维状新型碳材料, 其化学组成中碳元素占总质量的90%以上。70年代中后期, 由于世界性能源危机和纤维增强工程材料的兴起, 加速了碳纤维及其复合材料的发展。为了制取碳纤维, 人们研究了各种有机纤维的碳化工艺, 目前只有粘胶纤维、聚丙烯睛纤维和沥青纤维制得的碳纤维实现了工业化。此外, 人们还研究了气相生长法碳纤维。经过30多年的发展, 碳纤维的性能不断提高, 产量大大增长, 工艺技术日趋成熟, 生产规模不断扩大, 成本大幅度下降。目前世界上碳纤维生产大国当首推日本, 其产品已高度垄断了国际碳纤市场。其次是美国, 近年来其碳纤维发展速度也相当快, 产能正不断扩大。我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨年原丝、200吨年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平)，使我国碳纤维工业进入了产业化。据不完全统计，目前，我国已有12家生产规模大小不一(5800吨年)的PAN基碳纤维生产厂家，合计生产能力为1310吨年，产品规格为1K、3K、6K、12K。但由于一些企业没有原丝可烧，实际国内碳纤维大多数达不到T300水平。可喜的是从2000年开始我国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。 随着近年来我国对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料行业研发的热点。据不完全统计，目前拟建和在建的碳纤维生产企业有11家，合计生产能力为原丝7100吨年、碳纤维1560吨年，其中在建企业为4家，合计生产能力为原丝1100吨年、碳纤维470吨年。 尽管我国碳纤维生产发展缓慢，而消费量却一直在逐渐增加，市场需求旺盛。主要用途包括体育器材、一般工业和航空航天等，其中体育休闲用品的使用量最大，占消费量的约80%90%。我国碳纤维的需求量已超过3000吨/年，2010年将突破5000吨/年。主要应用领域为：成熟市场有航空航天及国防领域(飞机、火箭、导弹、卫星、雷达等)和体育休闲用品(高尔夫球杆、渔具、网球拍、羽毛球拍、箭杆、自行车、赛艇等)；新兴市场有增强塑料、压力容器、建筑加固、风力发电、摩擦材料、钻井平台等；待开发市场有汽车、医疗器械、新能源等。 为了大型飞机的制造和航空航天事业的发展，我国还必须尽快地实现高强中模型碳纤维的产业化。但是，因为高性能碳纤维是发展航空航天等尖端技术必不可少的材料，长期受到以美国为首的巴黎统筹委员会的封锁。虽然“巴统”在1994年3月解散了，但禁运的阴影仍然存在。即使对我国解除了禁运，开始也只能是通用级碳纤维，而不会向我们出售高性能碳纤维技术和设备。因此，发展高性能碳纤维必须要靠我们自己。我国化学纤维工业“十一?五”发展规划中提出了“从以增加数量为主转向大力发展高新技术纤维”，特别是把事关国家产业安全的高新技术纤维材料作为重中之重，而且碳纤维被列为首位，是国家迫切需要短期内突破的高新技术纤维品种，为我国碳纤维的发展创造了条件，我们要抓住这一机遇，自力更生、努力创新，发展具有自己知识产权的碳纤维，以满足不断增长的市场需求。国家“863 计划”以及有关部委都在关心我国碳纤维工业的发展及其产业化步伐，并给予强有力的支持，许多材料专家也扎扎实实的做了许多工作。“十一五”期间，我国又启动了相关“973计划”。相信“十一五”将是我国碳纤维工业产业化的黄金时代。二， 研究碳纤维复合材料的目的和意义碳纤维英文名Carbon Fibre，简称CF 。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去20多年，它至今仍保持纤维形态。 碳纤维是含碳量高于90的无机高分子纤维 。其中含碳量高于99的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。 碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型 。通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。 碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。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。 三，国内外碳纤维材料比较目前世界碳纤维产量达到4万吨年以上，全世界主要是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德国SGL西格里集团，韩国泰光产业，我国台湾省的台塑集团，等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。目前在祖国大陆还没有一个年产100t的规模化碳纤维工厂，大多还处于中试放大阶段。值得一提的是我国台湾省的台塑集团，在80代年中期从美国Hitco公司引进百吨级碳纤维生产线，经消化、吸收和配套后得到迅速发展，台塑产量增加很快，但碳纤维质量的提高幅度并不大。总的来说, 我国碳纤维生产的工艺不成熟, 设备落后, 自动化程度低, 生产环境差,故目前生产的碳纤无论产量、质量和品种都无法与先进国家媲美, 而应用范围和深度与先进国家也有较大差距, 存在问题主要有以下几点：（1）原丝质量不过关我国的睛纶原丝存在着毛丝、并丝、断丝等问题, 原丝的强度、纯度、取向度、细旦化及CV值还未达到先进国家的水平, 原丝质量是影响碳纤质量的关键, 故用国产原丝生产的碳纤性能均未达东丽T300的水平。同时, 发达国家不仅封锁原丝和碳纤生产技术, 而且还坚持不向我国出售原丝, 致使我国至今还处于缺乏优质原丝的状况。（2）设备落后我国碳纤生产设备落后, 自动化程度低,劳动强度大, 生产环境差, 而发达国家的封锁又使我国无法引进国际上的一、二流设备,影响了生产水平的提高。（3）未形成经济规模国外碳纤维生产规模多在500t以上, 而我国以10t左右居多。生产成本高, 产品价格也比进口的高, 而性能却无法与进口的媲美,故缺乏竞争能力, 失去了市场。（4）碳纤来源大部分依赖进口我国使用的碳纤绝大部分依靠进口, 而美国、日本等卖给我国的碳纤绝不允许用于军工、航天航空等领域, 仅限于生产文体用品, 且产品大部分外销, 因而严重地制约了我国碳纤维应用领域的开拓。四，碳纤维研究的主要内容制备碳纤维的前驱材料很多, 可以用粘胶纤维、沥青、聚丙烯氛、聚乙烯醉、木质素、聚抓乙烯、酚醛树脂、聚苯并唾哇等为原料。但到目前为止, 取得工业化规模生产的只有3种。其中聚丙烯腊基碳纤维综合性能最好, 产量占90%以上。沥青基碳纤维成本较低粘胶基碳纤维工艺复杂、成本高, 主要在军事领域应用。（1）聚丙烯腑基碳纤维碳纤维用PAN原丝。三菱人造丝公司研发出纤度为22000-99000dtex, 至少为20k的PAN原丝, 沿纤维轴向的质量离散系数3.0%；英国国防部发表了中空碳纤维用中空PAN原丝的制备专利我国在PAN原丝的研制方面也作了不少工作,其中山东大学DMSO法原丝小试已通过技术鉴定, 碳丝强度达3.5Gpa。中科院山西煤化所也从事DMSO法小试研究。（2）PAN预氧化纤维。目前世界上最大的抗燃、耐热PAN预氧化纤维生产厂家是德国SGL集团和美国ZOLTEK公司, 其产量皆超过2000t/a, 各占世界总产量的1/3；日本帝人所属的东邦公司产能达500t/a；旭化成公司约有的250t/a产能。 预氧化纤维经低温和高温活化可制成碳纤维,经碳化活化可加工成活性碳纤维。(3)PAN碳类纤维生产。聚丙烯氰基碳纤维最早在1959年由日本进藤昭男研制成功, 1964年英国皇家航空研究中心在纤维热稳定化过成中施加张力牵伸, 打通了制备高性能碳纤维的工艺流程并沿用至今。到21世纪, 生产工艺已分化为美国为代表的大丝束碳纤维工艺和日本为代表的小丝束碳纤维工艺, 小丝束的生产追求高性能化。东丽公司是世界高性能碳纤维研究的领头羊, 该公司T1000的拉伸强度为7.02GPa, 是目前世界上强度最高的碳纤维。五，研究碳纤维材料的难点和解决方法前面已经介绍过我国研究生产碳纤维材料的难点主要是工艺不成熟, 设备落后, 自动化程度低。（1）PAN原丝质量不过关，碳纤来源大部分依赖进口。而PAN前躯体是制备工艺的关键技术之一，其机械性能决定了碳纤维的优劣。我国的睛纶原丝存在着毛丝、并丝、断丝等问题, 原丝的强度、纯度、取向度、细旦化及值还未达到先进国家的水平, 而美国、日本等卖给我国的碳纤绝不允许用于军工、航天航空等领域, 仅限于生产文体用品, 且产品大部分外销, 因而严重地制约了我国碳纤维应用领域的开拓