碳纖維的發(fā)展前景

溫佳琪

摘 要：碳纖維復(fù)合材料是以樹脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，它問世于二十世紀(jì)四五十年代，經(jīng)過近70年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)在各行各業(yè)成為了一種重要的新型材料。碳纖維按照原絲類型可以分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維等，由于結(jié)構(gòu)上的差別，不同類型的碳纖維有著各自獨(dú)特的優(yōu)勢，在航空航天、汽車、體育等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：碳纖維；新型材料；樹脂復(fù)合材料

中圖分類號：TQ342 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0227-02

1 碳纖維的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是以樹脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料。碳纖維具有碳材料的固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代軍民兩用的增強(qiáng)纖維，其優(yōu)異的綜合性能是任何單一材料無與倫比的。

碳纖維復(fù)合材料問世于二十世紀(jì)四五十年代，最初是在美國制造的。1950年，在美國空軍基地，第一個(gè)碳纖維復(fù)合材料首先在2000攝氏度的溫度下通過拉絲獲得，之后碳纖維復(fù)合材料進(jìn)入高速發(fā)展階段。1959年美國聯(lián)合碳化物公司以粘膠纖維為原絲制成纖維素基CFRP，1969，日本東麗公司成功開發(fā)出高比強(qiáng)度、高比模量的碳纖維。碳纖維的生產(chǎn)一直以美國和日本為主導(dǎo)。

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)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)碳纖維的突圍之路仍然坎坷。

2 碳纖維的分類及生產(chǎn)工藝

碳纖維按照原絲類型可分為：聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維等。

聚丙烯腈基（PAN）碳纖維的生產(chǎn)工藝主要包括原絲生產(chǎn)、預(yù)氧化和原絲碳化三個(gè)過程。首先加工聚丙烯腈纖維，然后將這些原絲進(jìn)行預(yù)氧化，接著進(jìn)行碳化等工序制成碳纖維。由于聚丙烯腈碳纖維碳化收率較高，且得到的碳纖維產(chǎn)品性能優(yōu)良，占據(jù)了碳纖維市場的95%以上。目前，生產(chǎn)高強(qiáng)、高模碳纖維的主要來源是PAN碳纖維。

瀝青基碳纖維由于具有原材料豐富和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，在民用碳纖維領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景，法國開發(fā)了具有高耐熱性和高導(dǎo)電性的中間相瀝青基碳纖維，波蘭開發(fā)了一種金屬包覆碳纖維新方法。瀝青基碳纖維的生產(chǎn)能力在世界上是比較小的，國內(nèi)瀝青基碳纖維的研究和開發(fā)較早，但是，與國外相比，開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用還存在較大差距。

粘膠基碳纖維是指以纖維素環(huán)狀結(jié)構(gòu)為主要構(gòu)成的纖維經(jīng)過碳化等步驟后得到的碳纖維材料，與聚丙烯腈基碳纖維不同的是，由于纖維本身具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，不需要進(jìn)行預(yù)氧化，可以直接碳化。由于粘膠中還有大量的H、O原子，所以其理論收率僅為55%，實(shí)際產(chǎn)率則更低，且粘膠基纖維的強(qiáng)度較差，但是由于其優(yōu)秀的瞬間耐燒蝕性能，可以用作火箭的內(nèi)襯材料。

3 碳纖維的應(yīng)用

3.1 航空航天領(lǐng)域

航空航天是碳纖維的傳統(tǒng)市場，碳纖維復(fù)合材料在航空航天工業(yè)的數(shù)量近年來穩(wěn)步增長，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在大型飛機(jī)上的應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料占15%-50%，軍用飛機(jī)占30%-40%，小型商務(wù)飛機(jī)和直升機(jī)使用的機(jī)器已經(jīng)達(dá)到70%-80%。

一些發(fā)達(dá)國家先后開發(fā)了廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)機(jī)翼的耐高溫碳纖維復(fù)合材料等產(chǎn)品，碳纖維已成為戰(zhàn)略航空航天和尖端武器不可缺少的基礎(chǔ)材料。

大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可以大大降低飛機(jī)的重量，降低燃油消耗，提高飛機(jī)的整體性能。波音787是目前使用碳纖維復(fù)合材料最多的機(jī)型，其升降舵、方向舵大量使用碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)，機(jī)身段、機(jī)尾翼大量使用碳纖維層合結(jié)構(gòu)，碳纖維復(fù)合材料占其結(jié)構(gòu)重量高達(dá)50%，這大大提高了飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，大大節(jié)省了飛機(jī)的運(yùn)營成本。美國猛禽戰(zhàn)斗機(jī)F—22和B2隱形轟炸機(jī)都已大量使用碳纖維復(fù)合材料，統(tǒng)計(jì)顯示其碳纖維復(fù)合材料使用量均已超過整機(jī)重量的35%，極大地提高了飛機(jī)的速度和距離。

目前，中國的航空航天碳纖維復(fù)合材料體系已基本建立，一個(gè)相對完整的集設(shè)計(jì)、測試和復(fù)合材料應(yīng)用的體系已經(jīng)形成，這為中國的航空航天工業(yè)的發(fā)展提供了重要支撐。不僅如此，我國自行研制的碳纖維復(fù)合材料預(yù)制件性能已全面達(dá)到國外水平，它們制成的碳剎車盤已在國防重點(diǎn)軍用飛機(jī)上大量部署，并在其他民用飛機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。

3.2 汽車領(lǐng)域

輕量的碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車和現(xiàn)有燃料汽車領(lǐng)域的應(yīng)用都可降低油耗、減少排放，成為汽車材料發(fā)展的重點(diǎn)。在各國的支持下，各大碳纖維制造商和國外汽車巨頭紛紛聯(lián)手，發(fā)展汽車用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造技術(shù)，已經(jīng)形成“碳纖維復(fù)合材料供應(yīng)商+零部件供應(yīng)商+主機(jī)廠”的聯(lián)盟式產(chǎn)業(yè)化布局。

目前，我國碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)方面中年用量還小，應(yīng)用較為成熟的技術(shù)大部分集中在非連續(xù)纖維復(fù)合材料成型工藝上，尚未形成一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，同時(shí)在諸多技術(shù)方面與國外差距巨大，急需進(jìn)一步技術(shù)攻關(guān)。

現(xiàn)在，制約碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)使用的最大障礙是碳纖維的成本，碳纖維在汽車上的應(yīng)用如果也像在航空航天領(lǐng)域上一樣成功的話，將帶動碳纖維的飛速發(fā)展。

3.3 體育領(lǐng)域

體育領(lǐng)域是碳纖維復(fù)合材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。碳纖維在該領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在高爾夫球棒、釣魚竿和球拍3個(gè)產(chǎn)品類型。這些產(chǎn)品主要利用的是碳纖維密度小、強(qiáng)度大的優(yōu)異特性，近年來自行車、滑雪桿等新興產(chǎn)品的碳纖維用量也在不斷增長。

我國在20世紀(jì)80年代初開始研制碳纖維復(fù)合材料體育運(yùn)動器材，體育器材每年的生產(chǎn)制造消耗碳纖維復(fù)合材料約五千噸，目前已與美國、日本和中國臺灣并列為高爾夫球棒的主要產(chǎn)地。

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