碳纤维材料小知识

1、 碳纤维碳纤维的起源可以追溯的起源可以追溯到到18601860年年，英国人，英国人瑟夫瑟夫斯旺斯旺最早最早用碳丝制造电灯泡的灯丝，后来美国人爱迪生做出了用碳丝制造电灯泡的灯丝，后来美国人爱迪生做出了实用的白炽灯碳灯丝，不过由于实用的白炽灯碳灯丝，不过由于19101910年库里奇发明了拉制年库里奇发明了拉制钨丝的方法，灯丝全面改用钨丝，早期的碳纤维研究被打钨丝的方法，灯丝全面改用钨丝，早期的碳纤维研究被打入冷宫入冷宫。 20 20世纪世纪5050年代以后，为了解决导弹喷管和弹头耐高温年代以后，为了解决导弹喷管和弹头耐高温和耐腐蚀等问题，美国研制出粘胶基碳纤维，碳纤维又一和耐腐蚀等问题，美国研制出

2、粘胶基碳纤维，碳纤维又一次登上历史舞台次登上历史舞台。 1959 1959年日本人近藤昭男发明了聚丙烯腈年日本人近藤昭男发明了聚丙烯腈(PAN)(PAN)基碳纤基碳纤维，聚丙烯腈基碳纤维具有生产工艺成熟、综合性能好和维，聚丙烯腈基碳纤维具有生产工艺成熟、综合性能好和生产成本较低的优势，产量占碳纤维全部产量的生产成本较低的优势，产量占碳纤维全部产量的90%90%以上。以上。今天我们说的碳纤维，不指明的话一般指今天我们说的碳纤维，不指明的话一般指PANPAN基碳纤维。基碳纤维。 1 1 碳纤维碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微

3、观结构类似人造微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨石墨(C(C原子原子层状排列层状排列) )，是乱层石墨结构。是乱层石墨结构。 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的到钢的1/41/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa3500Mpa以上，是钢的以上，是钢的7-97-9倍，抗拉弹性模量为倍，抗拉弹性模量为230-230-430Gpa430Gpa亦高于钢。因此亦高于钢。因此CFRPCFRP的比强度即材料的强度与其的比强度即材料的强度与其密度之比可达到密度之比可达到2000Mpa/(g/

4、cm3)2000Mpa/(g/cm3)以上，而以上，而A3A3钢的比强钢的比强度仅度仅为为59Mpa59Mpa/(g/cm3)/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。阔应用前景。 2 2 碳纤维是含碳量高于碳纤维是含碳量高于90%90%的无机高分子纤的无机高分子纤维维 。其中含碳量高于。其中含碳量高于99%99%的称石墨纤维。碳纤的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和

5、模量高，无蠕变，耐疲劳性好，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，系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X X射线透射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强过性好。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在使用前须进行表面处理。 通常通常采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、

6、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而在一定压强下强热炭化而成。成。 碳纤维碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。目前世界上或低分子烃类的气相热解来制取。目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。纤维的固相碳化制得的。 日本和美国掌握着世界碳纤维的大多数产能，并控制了高端日本和美国掌握着世界碳纤维的大多数产能，并控制了高端碳纤

7、维的生产。碳纤维的生产。 日本东丽公司在日本东丽公司在PANPAN基碳纤维研制生产中最早起步，是日本基碳纤维研制生产中最早起步，是日本碳纤维生产企业的代表。美国碳纤维生产企业的代表。美国赫氏赫氏HexcelHexcel公司也紧随日本东丽的公司也紧随日本东丽的步伐，步伐，2020世纪世纪8080年代美国研制的三叉戟年代美国研制的三叉戟IIII潜射导弹和侏儒小型机潜射导弹和侏儒小型机动洲际导弹都是用了动洲际导弹都是用了HexcelHexcel公司的公司的IM7IM7型碳纤维。型碳纤维。 目前目前世界上小丝束碳纤维的主要生产商包括日本东丽、日本世界上小丝束碳纤维的主要生产商包括日本东丽、日本东邦人造

8、丝、日本三菱人造丝三家公司，美国东邦人造丝、日本三菱人造丝三家公司，美国的的赫氏赫氏HexcelHexcel公司公司和和CytecCytec公司虽然产量相差较大，但技术上仍可与日本三巨头媲公司虽然产量相差较大，但技术上仍可与日本三巨头媲美美。此外。此外台湾台塑公司拥有数千吨的产能，并在台湾台塑公司拥有数千吨的产能，并在20132013年开始批量年开始批量供应供应T800T800级碳纤维，土耳其阿克萨公司的低端级碳纤维，土耳其阿克萨公司的低端T300T300碳纤维也在迅碳纤维也在迅速扩张速扩张。 大大丝束碳纤维的主要生产商包括美国丝束碳纤维的主要生产商包括美国ZoltekZoltek、Aldil

9、aAldila公司，公司，日本东邦、日本东丽和德国日本东邦、日本东丽和德国SGLSGL公司等公司等。 总的说来美国总的说来美国在大丝束碳纤维生产上优势明显，日本在小丝在大丝束碳纤维生产上优势明显，日本在小丝束碳纤维的生产上垄断地位更为稳固。束碳纤维的生产上垄断地位更为稳固。 3 3碳纤维碳纤维的分类的分类碳纤维碳纤维的分类的分类 4 46 6微米直径的碳纤维微米直径的碳纤维单丝单丝 碳纤维碳纤维的密度是的密度是1.6-2.5g/cm31.6-2.5g/cm3，碳纤维拉伸强度在，碳纤维拉伸强度在2.2Gpa2.2Gpa以上。因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大以上。因此，具有高的比强度和比模量

10、，它比绝大多数金属的比强度高多数金属的比强度高7 7倍以上，比模量为金属的倍以上，比模量为金属的5 5倍以上。倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。工业、运动器材等。 绝大多数绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室内为碳纤维本身的热膨胀系数，室内为负数负数(-(-0.50.5- -1.6)1.6)10-6/K10-6/K，在，在200200400400时为零，在小于时为零，在小于10001000时为时为1.51.510-6/K10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可

11、作为标准衡器具然比较稳定，可作为标准衡器具。 通常通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。传热均匀的导热壳体材料。 从从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有机化学药品都很稳定，可以制成各种各样的化学防腐制品。机化学药品都很稳定，可以制成各种各样的化学防腐制品。我国已从事这

12、方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不我国已从事这方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广断降低，其应用范围会越来越广。 碳纤维碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石棉制成高级的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。棉制成高级的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。 碳纤维碳纤维在在400400以下性能非常稳定，甚至在以下性能非常稳定，甚至在10001000时时仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达热性，树脂基复合材料其

13、长期耐热性只达300300左右，陶左右，陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航空航天工业空航天工业。 利用利用这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声纳导流罩等纳导流罩等。 此此特点已经在医疗器材中得到应用特点已经在医疗器材中得到应用。 碳纤维碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环试验后，其强度保留率仍有百万次的循环试验后，其强度

14、保留率仍有60%60%，而钢材为，而钢材为40%40%，铝材为，铝材为30%30%，而玻璃钢则只有，而玻璃钢则只有20%-25%.20%-25%.因此设计制品因此设计制品所取的安全系数，碳纤维复合材料为最低。所取的安全系数，碳纤维复合材料为最低。 5 5 碳纤维碳纤维(carbon fiber,(carbon fiber,简称简称CFCF) ) 不仅不仅具有碳具有碳材料的固有本征特性材料的固有本征特性, ,又兼备纺织纤维的柔软可加又兼备纺织纤维的柔软可加工性工性, ,是新一代增强纤维。作为高性能纤维的一种，是新一代增强纤维。作为高性能纤维的一种，碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取碳纤维

15、碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、得广泛应用，从航天、航空、 汽车、汽车、 电子、电子、 机机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目工业材料的典型代表，为世人所瞩目碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。在多个在多个领域都出现了碳纤维材料的身影，比如说滑雪板、棒球棒、领域都出现了碳纤维材料的身影，比如说滑雪板、棒球棒、赛车、自行车以及各种体育服装用品中。赛

16、车、自行车以及各种体育服装用品中。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增传统使用中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、导弹防热及结构材料（火箭喷管、鼻锥、大面积材料以及用于制造火箭外壳、导弹防热及结构材料（火箭喷管、鼻锥、大面积防热层）、机动船、工业机器人、汽车

17、板簧和驱动轴等、卫星构架、天线、太防热层）、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等、卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星阳能翼片底板、卫星- -火箭结合部件；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件；火箭结合部件；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。 波音波音777777波音波音787787美称中国为歼美称中国为歼2020走私走私2020吨碳纤维吨碳纤维 每斤每斤20002000美元美元 2012 2012年年1212月，月，联邦调查局联邦调查局宣布宣布挫败挫败了一起中国人试图非法获得碳纤维的了一

18、起中国人试图非法获得碳纤维的行为行为: :被被怀疑的物品是怀疑的物品是M60JBM60JB碳纤维碳纤维，洽谈购买量达洽谈购买量达2020吨吨，售价售价每公斤每公斤20002000美美元（几乎是银价的元（几乎是银价的2 2倍），是中国仍在开发之中的隐形战斗机（歼倍），是中国仍在开发之中的隐形战斗机（歼-20,-20,歼歼-31-31）的重要部件的重要部件。据称，据称，中国中国已经获得了某些这种纤维已经获得了某些这种纤维，（，（注，注，按按该该说法说法，碳纤，碳纤维每吨维每吨200200万美元，万美元，2020吨合计吨合计40004000万美元，约万美元，约2.52.5亿元人民币。）亿元人民币。）

19、 碳纤维碳纤维复合材料用量较大而场合是民航客机复合材料用量较大而场合是民航客机，美国波音公司，美国波音公司777777和和787787客机，空中客车客机，空中客车公司公司A380A380和和A350XWBA350XWB客机都大量使用碳纤维复合材料客机都大量使用碳纤维复合材料。 美国波音公司美国波音公司的的787787客机主要使用日本东丽公司的客机主要使用日本东丽公司的24K24K丝束的丝束的T800T800碳碳纤维复合材料，同时也使用了部分纤维复合材料，同时也使用了部分美国美国赫氏赫氏HexcelHexcel公司的碳纤维复合材公司的碳纤维复合材料。欧洲空中客车公司的料。欧洲空中客车公司的350

20、XWB350XWB客机也使用了美国客机也使用了美国HexcelHexcel赫氏赫氏公司公司的的IM7IM7碳纤维碳纤维，不仅如此不仅如此，中国商飞，中国商飞C919C919、波音、波音737 MAX737 MAX和空中客车和空中客车A320 NEOA320 NEO等等客机使用的新一代客机使用的新一代LEAPLEAP发动机的叶片也使用了发动机的叶片也使用了HexcelHexcel赫氏赫氏公司公司提供的碳提供的碳纤维复合材料。纤维复合材料。新一代新一代LEAPLEAP涡扇发动机的风扇叶片涡扇发动机的风扇叶片建造期间的国际空间站，其巨大的桁架建造期间的国际空间站，其巨大的桁架也由碳纤维复合材料制造也

21、由碳纤维复合材料制造碳纤维应用实例碳纤维应用实例碳纤维应用实例碳纤维应用实例现在的现在的F1F1（世界一级方（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部程锦标赛）赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。顶分结构都用碳纤维材料。顶级跑车的一大卖点也是周身级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度性和结构强度 碳纤维应用实例碳纤维应用实例碳纤维应用实例碳纤维应用实例碳纤维应用实例碳纤维应用实例碳纤维应用实例碳纤维应用实例 碳纤维由于具有强度高、碳纤维由于具有强度高、重量轻、耐热性好、抗热冲重量轻、耐热性好、抗热冲击性强等诸多优点而广泛应击性强等诸多优点而广泛应用于各种

22、工业产品和日常生用于各种工业产品和日常生活用品中。活用品中。 目前的日本国内，绝大多数目前的日本国内，绝大多数的建筑，公路，桥梁都已经使用的建筑，公路，桥梁都已经使用到了碳纤维材料作为建筑结构的到了碳纤维材料作为建筑结构的加固补强材料，这一材料的使用，加固补强材料，这一材料的使用，使得日本国内的建筑结构的抗震使得日本国内的建筑结构的抗震防裂级别又提升了一个档次。防裂级别又提升了一个档次。 20072007年年5 5月月1010日，荷兰建成世界上最长的碳纤维复合材料桥。该桥日，荷兰建成世界上最长的碳纤维复合材料桥。该桥长长24.524.5米，宽米，宽5 5米。米。 6 6碳纤维的碳纤维的特点是拉

23、伸强度强，但剪断强度弱，加工特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算时需要进行复杂的应力计算( (纵刚性、横刚性纵刚性、横刚性) )，根，根据计算把碳纤维片重叠成型据计算把碳纤维片重叠成型。由于由于作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。尺寸多款式的订单。 很多使用者发现碳纤维产品放置在阳光下时会逐渐很多使用者发现碳纤维产品放置在阳光下时会逐渐变白。因此最好不要放置在阳光下。变白。因此最好不要放置在阳光下。原因原因有两个有两个：1.1. 生产原材料生产原材料的厂家不多，产量有限的厂家不多，产量有限。2.2.工艺复杂，

24、开工艺复杂，开模的费用较高，机械价格也较模的费用较高，机械价格也较贵。贵。 7 7我国碳纤维生产落后美日我国碳纤维生产落后美日3030年年 我国我国碳纤维的发展并不晚，东丽碳纤维的发展并不晚，东丽公司研制出碳纤维前后，我国就开始公司研制出碳纤维前后，我国就开始独立研制碳纤维独立研制碳纤维。经过。经过近近4040年发展，年发展，我国的碳纤维产业总体研制和生产水我国的碳纤维产业总体研制和生产水平平还很还很落后，无法与美日公司在市场落后，无法与美日公司在市场上正面竞争上正面竞争。 近些年近些年来，随着政府在产业政策方面的支持，我国碳纤维行业呈来，随着政府在产业政策方面的支持，我国碳纤维行业呈现全面开花、大干快上的局面，全国各地规划的碳纤维产能甚至超过现全面开花、大干快上的局面，全国各地规划的碳纤维产能甚至超过了我国之外全世界的碳纤维产能。但这只不过是虚假的繁荣，了我国之外全世界的碳纤维产能。但这只不过是虚假的繁荣，20122012年年我国碳纤维生产线设计产能超过了我国碳纤维生产线设计产能超过了2 2万吨，但实际产量只有万吨，但实际产量只有20002000吨左右，吨左右，而且完全是生产越多亏损越多的局面，同时我国却还在而且完全是生产越多亏损越多的局面，同时我国却还在进口上万吨进口上万吨的的碳纤维产品满足国民经济的需求。碳纤维产品满足国民经济的需求。 碳纤维碳纤维的生产固然重要，