碳纤维及其复合材料的发展及应用

学 年 论 文

   题　　目：碳纤维及其复合材料的发展及应用

   学生姓名：      李昂

学生学号：      11306023

学院名称：  化学与生命科学学院

专业名称：        化学 

指导教师：    朱永春 教授

二○一三年九月

碳纤维以及复合材料的发展及应用

李昂

摘要：叙述了碳纤维的定义、分类以及性能, 介绍了碳纤维增强复合材料的特性, 着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用, 指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势、应用和存在的问题。

Abstract: Describes the definition, classification and performance of carbon fiber, this paper introduces the characteristics of carbon fiber reinforced composites, emphatically expounds the carbon fiber reinforced resin matrix composites in the classification, selection and application of matrix, and points out the further development of carbon fibers and composites, application and existing problems.

关键词：碳纤维 复合材料 发展 应用 航天航空

Keywords:  carbon fiber  composite materials  development  application  aerospace

引言

    比铝还要轻, 比钢还要硬, 密度是铁的1/ 4, 强度是铁的10 倍, 这就是我国前绝大部分依赖进口的高技材料碳纤维。　碳纤维作为一种高性能纤维, 具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。 此外, 还具有纤维的柔曲性和可编性[1]。 碳纤维既可用作结构材料承载负荷, 又可作为功能材料发挥作用。 因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速。 本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍。

1.碳纤维定义、分类及性能

1.1 碳纤维定义

碳纤维(Carbon Fiber,CF)是一种碳含量在90％(质量分数)以上的新型高性能的纤维材料，由纤维状有机化合物(原丝)经过预氧化、碳化和石墨化等一系列工艺程制得。高性能碳纤维的性能有：高比强度、高比模量等良好的力学性能；低膨胀、耐高温、耐烧蚀、耐疲劳、抗蠕变等良好的稳定性；良好的导电、导热等优良性能。此外，其质量轻、低密度更使它成为了航天航空中一种不可替代的结构材料和功能材料，常作为先进结构复合材料最重要的增强材料[2]。

1.2 碳纤维的分类

纤维的分类有多种方法，可以按原料、力学性能等进行分类

(1).按原料分类可分3种。

     按原料分主要有：聚丙烯腈基(PAN)碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维 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。此外木质素和酚醛树脂等也有少量应用，目前还没有形成大规模的研究和生产。 

(2).按力学性能可分为2类

    碳纤维有通用级和高性能两种，其中高性能碳纤维又可按高强（HS）和高模（HM）进行分级。20世纪80年代，日本东丽公司还开发出了高强高模的聚丙烯腈基碳纤维(MJ系列碳纤维)，这标志着碳纤维的发展又上了一个新的台阶。

(3).按用途可分为2类

24 K 以下为宇航级小丝束碳纤维（1 K 为1 000 根单丝）；48 K 以上为工业级大丝束碳纤维。

1.3 碳纤维的主要性能

① 强度高。其抗拉强度在 3 500 MPa 以上。

② 模量高。其弹性模量在 230 GPa 以上。

③ 密度小，比强度高。碳纤维的密度是钢的1/4，是铝合金的 1/2，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2 000℃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，200 d 后其弹性模量、强度和直径基本没有变化；在 50 % 浓度的中只是稍有膨胀，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 3 000 ℃ 的高温突然降到室温也不会炸裂。

⑧ 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.碳纤维发展历程及现状

2.1 国外碳纤维的发展

碳纤维的研制及工业化始于20 世纪50 年代。50年代中期，Abott 以人造丝为原料制造出纤维状碳丝，随后美国联合碳化物公司发展了这个方法，并于1959年首先在世界上开始制造和销售CF，但此时的碳纤维还属于通用级的低模量纤维。1961 年日本东丽公司成功开发出了特殊共聚的PAN 纤维，生产出高强高模的碳纤维， 其后该公司高性能碳纤维产量一直独居世界之首。1963 年英国皇家航空研究所的W·Watt 等人在PAN 纤维预氧化过程中施加张力， 抑制原丝在热处理过程中的收缩，使碳纤维的力学性能得到明显提高，奠定了现代生产PAN 基碳纤维的工艺基础。1969 年英国Courtaulds 公司和日本炭公司分别建成了由PAN 纤维得到高性能碳纤维的工业装置。70 年代末， 许多以PAN 纤维为原料制造碳纤维的厂家为扩大产品销路，占领国际市场，在原料供应及碳纤维的生产、供销方面进行广泛的交流与合作，从而促进了PAN 基碳纤维工业的进一步发展。80 年代，世界各公司不断扩大生产能力，力求提高经济规模，但由于产品应用范围开拓不足，从而使碳纤维的生产供过于求。进入90 年代后，由于PAN 基碳纤维具有无可替代的优越性，应用领域日益扩展， 生产规模逐渐向大型化发展， 产量和性能提高，价格下降，使其呈现了高速增长的态势[3]。

    到二十一世纪初，高性能PAN 基碳纤维的研制及工业化生产已日趋成熟。据报道，由于商用飞机和风能市场需求的增长，2009 年碳纤维市场仍将增长1.8%；

预测在2010 年后市场从信贷紧缩和经济衰退状态复苏，碳纤维市场会反弹，预计在未来五年中其年增长率为9.8%[4]。

当前，世界上PAN 基碳纤维的生产现己经分化为以美国、欧洲为代表的大丝束碳纤维和以日本为代表的小丝束碳纤维两大类。大丝束碳纤维产品成本低，较适合于民用工业及产品开发； 小丝束碳纤维产品追求高性能化，代表世界碳纤维发展的先进水平，主要用于国防军事工业。目前世界上高性能碳纤维研究发展的领头羊为日本东丽公司。

日本东丽公司的碳纤维在2008 年初占全球市场的34%， 到2010 年综合设计产能将达到24000t/a，其销售额将达到14 亿美元； 日本东邦公司在2009 年中期产能将达到13500t/a； 日本三菱公司近期建了一条2268t/a 的碳纤维新线，最近又宣布要扩建一条2700t/a的新生产线， 预计在2010 年四季度投产。美国Zoltel公司最近收购了墨西哥的PAN 纤维厂商Cydsa， 经改造后使该厂可生产2250t/a 大丝束碳纤维；美国Hexcel公司2009 年中期的产能将上升到7300t/a[4]。

2.2 国内碳纤维的发展

    我国自20 世纪60 年代开始碳纤维研究开发至今已有40 年的历史，但由于发达国家对我国几十年的技术封锁，至今没能实现大规模工业产业化生产，中试产品质量不稳定，仅相当于国外的T-300 水平，这严重影响了我国高技术的发展， 尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展。专家们认为制约我国碳纤维发展的

主要原因之一是原丝质量问题。国产原丝存在纤度大、强度低、离散系数大、缺陷、裂纹与孔洞多等问题。此外，相关应用基础研究薄弱，投入的经费比较少，使我国碳纤维发展缺乏基础科学技术进步的依托。

    我国最大的PAN 基碳纤维生产厂在省，属工程塑料公司所有，生产能力1750t/a，所用原丝为DMF 一步法生产的小丝束碳纤维， 预计到2010 年该

公司产能将增加至7300t/a[5]。2006 年我国地区共有12 家大小不一的PAN 基碳纤维主要生产厂家，虽然总生产能力约1310t/a，但是由于国内最大的PAN 基

碳纤维生产厂大连兴科碳纤维有限公司800t/a 装置和安徽华源集团200t/a 装置没有原丝可烧， 因此碳纤维的总产量也只有40t/a 左右，且产品质量不稳定，由于原丝质量、碳化生产技术和设备等方面的原因，大多数达不到T-300 水平[3]。

虽然国际上一些公司T-300 级原丝和碳纤维产品对我国开始解冻， 但碳纤维及其复合材料的生产是关系到国防建设的高科技技术，必须立足国内。所以，研制生产高性能、高质量的PAN 基碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，扭转大量进口的局面，是我国碳纤维工业产业化发展亟待解决的问题。随着我国经济飞速发展，对碳纤维的需求与日俱增，碳纤维在国内新材料界成为新的热点。国家已把“PAN 基碳纤维”列入国家“863”计划，“十一五”计划也对碳纤维生产提出了更高的要求，目标是为军工及民用生产供应12K 以下小丝束的优质原丝产品。这必将使我国PAN 基碳纤维在新的世纪里步入大发展、良性循环的轨道。

2.3 国内PAN 基碳纤维消费与需求

    尽管我国碳纤维生产发展缓慢， 但消费量却与日俱增，市场需求旺盛，主要用途包括体育器材、一般工业应用和少量军工产品（导弹和火箭等），其中体育器材用量最大，约占总消费量的80%～90%。近年来，随着市场需求的增加，特别是国防、军工、航空航天、体育用品等方面的需求增加， 每年主要依靠从国外进口碳纤维以满足要求。预计2010 年我国PAN 基碳纤维的需求量将超过5000t/a。通过对国内市场需求进行广泛深入的调研发现， 近几年体育和休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的年需求量迅速增长， 从我国航空航天技术的发展来看，也急需高性能碳纤维及其复合材料。

    近几年来， 外商纷纷前来我国开办合资或独资的碳纤维复合制品企业， 从国外采购碳纤维开发下游产品，促进了我国碳纤维市场的开发，使碳纤维需求量迅猛上升。国内PAN 基碳纤维材料加工已初具规模，且有一定的技术基础和市场开发能力， 市场需求比较旺盛，但碳纤维的生产还远远不能满足市场需求，需要大量进口。此外， 考虑到我国碳纤维的应用还在不断发展，许多用途还有待进一步开发，如碳纤维在工程修补增强方面、飞机和汽车刹车片、汽车和其他机械零件的应用以及电子设备套壳、集装箱、医疗器械、深海勘探、新能源的开发等方面都将是我国碳纤维未来的潜在消费市场，对碳纤维的需求量将更大。未来十年内，文体用品和一般产业对碳纤维的市场总需求量将达90%以上。因此，未来我国碳纤维的市场需求前景广阔，潜力极大[3-4]。

3.碳纤维增强复合材料

    尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能,然而,它属于脆性材料,只有将它与基体材料牢固地结合在一起时, 才能利用其优异的力学性能, 使之更好地承载负荷。因此, 碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷,而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料[6]。

3.1 碳纤维增强陶瓷基复合材料

陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性, 广泛应用于工和民用产品。但是,它的致命弱点是脆性大, 并且对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感. 用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性, 改变陶瓷的脆性断裂形态, 同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料,因其具有优良的高温力学性能,在高温下服役不需要额外的隔热措施, 因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用。

3.2  碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称,也是一种高级复合材料。 它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料主要由各类碳组成, 即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能, 除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外, 还具有较高的断裂韧性和假塑性。特别是在高温环境中, 强度高、不熔不燃, 仅是均匀烧蚀. 这是任何金属材料无法与其比拟的。因此广泛应用于导弹弹头, 固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领[5]。3.3 碳纤维增强金属基复合材料

碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维, 金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比, 具有高的比强度和比模量; 与陶瓷相比, 具有高的韧性和耐冲击性能。金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等。其中, 碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟。制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层, 以防止在复合过中损伤碳纤维, 从而使复合材料的整体性能下降. 目前, 在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等, 但因其过程复杂、成本高, 了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用[6]。

3.4 碳纤维增强树脂复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料( CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料, 是其他纤维增强复合材料所无法比拟的[7.8]。

碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂主要分为两大类, 一类是热固性树脂, 另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预集体或带有活性基团高分子量聚合物组成; 成型过程中, 在固化剂或热作用下进行交联、缩聚, 形成不熔不溶的交联体型结构。在复合材料中常采用的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成, 在一定条件下溶解熔融, 只发生物理变化。常用的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。

在碳纤维增强树脂基复合材料中, 碳纤维起到增强作用, 而树脂基体则使复合材料成型为一承载外力的整体, 并通过界面传递载荷于碳纤维, 因此它对碳纤维复合材料的技术性能、成型工艺以及产品价格等都有直接的影响。碳纤维的复合方式也会对复合材料的性能产生影响. 在制备复合材料时, 碳纤维大致可分为两种类型: 连续纤维和短纤维。连续纤维增强的复合材料通常具有更好的机械性能, 但由于其制造成本较高, 并不适应于大规模的生产. 短纤维复合材料可采用与树脂基体相同的加工工艺,如模压成型、注射成型以及挤出成型等。当采用适合的成型工艺时, 短纤维复合材料甚至可以具备与连续纤维复合材料相媲美的机械性能并且适宜于大规模的生产, 因此短纤维复合材料近年来得到了广泛的应用。

4.碳纤维及其复合材料的应用

随着科技的发展，碳纤维的应用领域与日俱增，它们除了广泛应用于航空航天等高技术领域，还可用在文体用品、纺织机械、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械、运输车辆等方面。此外，在开发不用润滑油的轴承、齿轮、轴瓦、转轴、提升轮等运动频繁、负荷大的零件方面有很好的前景。

4.1 航天领域

碳纤维增强复合材料在国外液体火箭发动机上的应用十分广泛。如德国 Astrium 公司设计、制造了一种水冷推力室试验件试验用喷管延伸段，以及为阿里安5火箭芯级火神发动机设计制造了缩尺推力室用喷管延伸段；阿里安 5 火箭的上面级发动机Aestus发动机和HM-7发动机喷管延伸段；RS-72 发动机喷管延伸段；法国Snecma公司研制的一种上面级发动机Venus发动机喷管延伸段；美国Pratt & Whitney 公司研制的膨胀循环液氢液氧上面级发动机RL10B-2发动机可延伸喷管；法国Snecma公司研制的膨胀循环液氢液氧上面级发动机Vinci发动机可延伸喷管；美国ARC公司为姿控发动机研制了一个先进材料的演示推力室，除头部的中间部分外，其余部分均用碳纤维增强复合材料整作。

碳纤维在国外固体火箭发动机上的应用普遍。主要应用在火箭发动机的喷管部分和碳纤维壳体。在喷管部分，现得到应用的有碳/碳喉衬，碳/酚醛喉衬，碳/碳扩散段，碳/酚醛扩散段，碳/碳螺钉，碳/碳销钉，碳/碳锁片。“MX”导弹第三级

发动机喷管中大量使用了碳/碳材料；阿里安-5 和阿里安-3 运载火箭固体助推器的喷管也主要使用碳纤维材料。在碳/碳扩散段的研究中，美国起步最早，1980 年代早期已经将碳/碳扩散段延伸锥用于“MX”第三级发动机和侏儒导弹的二、三级发动机。原苏联也在 1970 年代研究碳/碳扩散段，并在 1980 年代中期应用于 SS-24、SS-25 等导弹中。法国和德国的研究人员也从 1970 年代开始研究 碳/碳扩散段，并获得试验成功。

在壳体部分，近年来，美国在研制高速、高加速反导拦截导弹时，为了满足高强度、高刚度要求，几乎无一例外地采用了碳纤维环氧壳体，如 ERINT 低空拦截弹、THAAD 高空拦截弹、标准 SM23 拦截弹的第二、三级体。GBI 地基拦截

弹第一级为德尔它运载火箭助推器 GEM 发动机，采用 IM27 碳纤维/环氧壳体。第二、三级采用 Orbusl 发动机，选用的是 T240 碳纤维/环氧壳体[10]。

俄罗斯研制的“暴风雪”号航天飞机，其头锥和机翼前缘采用了碳/碳复合材料。战略导弹弹头的端头采用碳/碳，过渡段采用碳/酚醛树脂复合材料，发动机部件采用了碳/碳复合材料。

4.2 军事领域

新武器装备研制过程中的小型化、轻质化、高强度、长寿命、机动性、稳定性等都离不开碳纤维的应用，可以说碳纤维在国防军工中有举足轻重的影响。

美国国防部 2000 年和 2001 对碳纤维的需求量分别为180t和200t，2002年增加到350t以上。2003年较2002年略有减少，约为330t左右，2004年和2005年又有10%和5%左右的增幅，相应达到370t和385t上下。国防部军工产品中，空军所占份额最大，根据2000～2005年统计（见表 5），空军对碳纤维的需求占国防部对总碳纤维需求的54.8%;海军则占29.1%；陆军占13.6%；多兵种占2.5%。可见空军是碳纤维的主要用户，海军次之，陆军对碳纤维用得比较少。空军碳纤维主要用于制造军机，包括:B-1 、B-2 、C17 、JASSM 、UCAV 、F16（US）、F16（FMS）、F22 和 F117 等。海军消耗的碳纤维主要用于生产 F/A-18E/F 战斗机和 V-22 直升机。F/A-18E/F 战斗机耗用的碳纤维占海军对碳纤维的总需求量的60%～70%.美国陆军对碳纤维的需求相对较少，2000～2001年对碳纤维的需求不足5t，2002 年猛增到 100 t以上，2004～2005年又降落到50t上下。陆军所需碳纤维主要用于制造Ammo坦克，占陆军所需碳纤维总量的90%以上。

4.3 民用飞机领域

碳纤维复合材料可有效降低飞机结构质量，改进性能，因而随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料技术的进步，碳纤维复合材料在大型民用飞机上的用量不断增长。在民用领域，555座的世界最大飞机A380由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP), 3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维－金属板（铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构）。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封框——复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后，A380又一次对连接机翼与机身主体结构翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻重量1.5吨。由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%--20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。

4.4 体育休闲用品领域

碳纤维轻量化、耐疲劳、耐磨、耐腐蚀，使其很适合应用于体育用品。碳纤维在体育领域的应用主要是高尔夫球棒、钓鱼杆和网球拍框架。目前，全世界每年高尔夫球棒的产量为3400万副。这些高尔夫球棒的产地主要是美国、中国、日本和中国省，其中美国和日本是高尔夫球棒的主要消费国，占80 %以上。全球40 %的碳纤维高尔夫球棒是用日本东丽公司的碳纤维制成的。碳纤维在高尔夫球棒的用量已占碳纤维体育用品的50 %。全世界碳纤维钓鱼杆的产量约2 000 万副/年[11]。山东威海光威集团有限责任公司是国内最好的碳纤维和玻璃纤维制品生产商，也是世界上最大的碳素钓鱼杆厂，该公司每年耗用碳纤维就达500 t 以上。除此以外，碳纤维在冰球棍、滑雪杖、射箭、自行车、划船、赛艇、冲浪等体育用品的应用，意味着对碳纤维有着稳定的需求。

碳纤维在体育和民用工业中的应用主要有：高尔夫球杆、棒球棒、赛艇、弓、高尔夫球头、垒球棒、桨叶、箭杆、网球拍、冰球棒、舵、拳击手套、羽毛球拍、滑雪板、冲浪板、钓渔竿、滑雪杖、滑雪护腿、自行车、滑水杖、球鞋底、风筝、

登山杖、旱冰鞋等。

4.5 土木建筑领域

随着碳纤维成本的降低与复合材料制造技术的发展，土木建筑领域成为碳纤维复合材料应用的新市场。利用碳纤维复合材料棒材替代圆钢，利用碳纤维片材加固或修复桥梁及建筑物，及利用碳纤维增强混凝土等将会有很大的发展。目前

在土木建筑领域的应用主要是：复合材料棒材、纤维增强胶接层板、碳纤维增强混凝土、碳纤维复合材料板、碳纤维单向布等。

4.6 工业领域

近几年来碳纤维在宇航领域中应用有萎缩的趋势，在工业应用的市场不断看好。与宇航和体育休闲用品相比，工业应用对于碳纤维的需求在不断增长。基础设施、油气开采、压力容器、复合材料辊子、航海构件等应用不断开发，使碳纤

维在这个领域的应用持续增长。欧洲和日本在这方面的开发处于领先地位，用于工业应用碳纤维的需求量在欧洲最大，亚洲其次。据报道，制备注射和模压用的粒料消耗的碳纤维高达2700t，主要用于生产手机、计算机、办公设施等，在电磁屏蔽和静电消散方面的应用也在不断增长[13]。

4.7 交通运输领域

在交通领域，碳纤维扩大应用的最大希望在于汽车业。国外的各大主要汽车厂家，均竞相开发碳纤维复合材料（CFRP）化的节能、环保和安全性汽车。新一代的汽车要求大大降低能耗，最重要的措施之一就是减轻汽车质量，用一般钢

材是不可能实现的，最有效的办法就是应用复合材料。设计表明，一辆典型小车的碳纤维用量可超过113kg，以此推算，仅满足北美需求，碳纤维复合材料的需求量就达世界碳纤维总生产能力的100倍。因此碳纤维复合材料用作汽车材料，将具有广阔的发展前景。目前碳纤维复合材料已获得应用或正在研究开发应用的领域主要包括：飞轮、压缩天然气贮罐、燃气透平部件、刹车装置，其它部件如蓄电池、活塞、传动轴、弹翼、大梁、汽车骨架、螺旋桨芯轴、轮毂、缓冲器、弹簧片、引擎零件、船舶的增强材料等。

4.8 在能源领域的应用

目前，电阻率在 10 ～10 Ω·cm 的碳纤维纸属高性能碳纤维纸，通常称之高电导率碳纤维纸，在新能源和电化学领域正在广泛推广应用。科学家经过多种探索，确认高性能碳纤维纸能满足绿色能源--燃料电池的要求，而且和原炭材料

电极相比，还有体积小、质量轻、效率高等优点[14]。现在，用高性能碳纤维纸制作质子交换膜--燃料电池（PEMFC）的气体扩散层电极材料，已经得到各燃料电池制造商的认同，将很快得到发展。能源方面和贮能方面，像风力发电用叶片、飞轮、电池等应用也不断扩大。

4.9 在电子工业的应用

碳纤维除因其优良的力学性能而用于结构材料的增强外，还因其导电性极好且呈非磁性而用作功能材料。在电子工业中也有重要的应用。用碳纤维制作的电子屏蔽装置具有很好的电磁波吸收能力，碳纤维与聚合物复合成为填充型复合材

料，不仅具有良好的屏蔽作用，同时使壳体材料的力学性能大大提高。碳纤维热塑性复合材料（CFRTP）具有优良的抗拉、抗弯性能，其比强度大于铝镁合金；质量轻于铝镁合金，且不怕生锈，无需与特殊的热环境隔离，具有很好的耐震

动衰减性和耐疲劳性能，特别适用于制造在交变载荷下工作的电子零部件；其永久抗静电性、电磁波屏蔽性和耐候性均优于热塑性塑料（ABS）。所以 CFRTP 材料已被广泛地应用于电子电气领域。如用于制备风力发电机叶片、防爆开关、电磁屏蔽材料、仪表罩壳、精密电子仪器部件、电缆管道等。

随着碳纤维成本的降低以及复合材料制造技术的发展, 土木建筑和海底油田将是碳纤维复合材料应用领域的新增长点. 以碳纤维复合材料代替传统金属材料制作建筑物的横梁、抗震结构, 补强、修补或加固桥梁, 制造油田勘探和开采器材以及平台、油、气储罐等将会有很大的发展。

5．我国碳纤维生产存在问题

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c v 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, 成套技术引进的可能性小，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50 0t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。

6.发展对策

PAN 基碳纤维属军民两用的高技术和高附加值产品，具有其他材料无可比拟的优异性能，具有广泛的用途和良好的发展前景。随着我国经济的持续快速发展，碳纤维的市场需求与日俱增，发展我国的碳纤维工业具有重大的现实意义和深远的历史意义。因此，针对目前现状，必须加速我国的碳纤维发展进程。

6.1 尽快掌握核心技术，实现自主创新

    高性能纤维是国家材料科学发展的重要制高点，是国家重要的战略性基础材料，其技术突破与产业化应用对于推动社会发展有重要价值，决不能走以奖代研的路子，而是要敢于打破国外核心技术的垄断与封锁，坚定不移地走一条中国特色的自主创业和发展之路，不断提高自主创新的能力，有重点地突破碳纤维产业化发展制约“瓶颈”，提高国产化先进水平，缩小同发达国家的差距，在世界高性能纤维日新月异的新形势下尽快占有一席之地。同时要借鉴国外先进经验，加强产学研用紧密结合，建立相关机制，把高性能纤维产业发展上升到国家战略高度，使我国碳纤维产业能够快速健康地发展。

    碳纤维生产工艺流程长和技术关键点多，是多学科、多技术的集成。发展我国的碳纤维工业，当前必须解决工程化问题。可采用对引进技术消化吸收与自主创新相结合办法，尽快实现工业化生产。首先必须提高原丝质量，由生产1 k 、3 k原丝向生产6 k、12 k 或24 k 原丝工业化技术研究，为民用碳纤维的开发做好准备，同时需要加强预氧化、碳化及表面处理工程技术研究开发。

6.2 大力降低碳纤维生产成本，提高市场竞争力

价格历来是制约碳纤维发展的主要因素，世界上所有碳纤维生产厂商都在致力于降低碳纤维生产成本。只有在保证质量的基础上大力降低碳纤维的成本，才能为碳纤维的广泛应用创造条件，才能带来碳纤维工业的高速发展。降低成本的主要措施要尽快做强做大原丝和碳纤维，由小丝束向大丝束发展，降低原丝和碳纤维成本，提高碳纤维的市场竞争力。

6.3 大力加强碳纤维的应用研究和市场开发

碳纤维很少直接使用，大多是经深加工制成中间产物或复合材料后使用。为此，应大力开展应用研究、扩大适用范围，形成产业链，提升其附加值，通过上下游产业共同努力，形成良性互动，使我国碳纤维产业走上健康快速发展的轨道。逐步建立健全碳纤维工业生产及应用研发体系，立足自身，加强交流与合作，同时密切关注国际上著名碳纤维厂商技术发展进程，借鉴其发展经验，加快发展步伐，努力缩小国际间的差距。

6.4 加快推进民用碳纤维及原丝的技术开发

做强做大碳纤维及PAN 原丝产业，必须大量生产民品碳纤维产品。其主要优势在于① 民用碳纤维的市场需求量大；② 民用碳纤维的生产成本较军用碳纤维低；③ 生产效率高。同时必须坚持“以民养军，寓军于民”的碳纤维发展策略。

7. 结语

碳纤维复合材料自 1960 年代兴起以来，经过40多年的发展，在技术、工艺等各方面都取得了长足的进展，应用领域也在不断扩展，从以前主要集中在航空航天及代表科技前沿的军事领域，逐步拓展到工业应用领域，特别是近几年以来，碳纤维复合材料在土木工程、交通运输、压力容器、石油开采、纺织机械方面的应用大幅增长，更有新开发的应用领域不断见诸报道。如利用碳纤维复合材料制造人工韧带、人造假肢和人造骨骼，作为航天光学遥感器结构件等。与国外的发展相比，国内的碳纤维工业化生产还处于相对较低的水平，没有形成规模，碳纤维的需求与生产供应之间脱节。而从国外的发展经验来看，碳纤维是一种可以形成庞大产业带的基础产品，并随其成本的降低而在金属、陶瓷、玻纤等材料的传统应用领域得到广泛应用。同时因其高科技含量，又可在一定时期形成相对垄断产品。因此，碳纤维及其复合材料的开发，可带来长期、稳定的投资收益。

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