碳纤维的发展及其应用现状

张健 揣雪冰(吉林石化公司碳纤维厂聚合车间，吉林 132000)

碳纤维的发展及其应用现状

张健 揣雪冰(吉林石化公司碳纤维厂聚合车间，吉林 132000)

碳纤维以其优异的性能被世界各个国家所重视，相关研究结果表明，碳纤维的强度、模量以及密度等方面相对金属材料，其优势十分巨大。本文介绍了目前碳纤维国外以及国内的发展历史与生产现状，并分析了目前碳纤维材料的主要应用领域为航天航空、体育用品以及汽车三大领域，同样在其他领域中也有着广泛的应用。现如今碳纤维材料的应用已经成为重要替代材料之一。

碳纤维；发展现状；应用

碳纤维指的是通过将有机母体纤维经过高温（1000℃-3000℃）、惰性气体保护下，以高温分解与碳化的方式形成含碳量在90%以上的一种无机高分子材料。其有着优秀的力学性能，虽然其比重只有钢材的四分之一，但其抗拉伸强度可达到钢的7倍以上，并且其有着巨大的耐高温性能，在2000℃并运用惰性气体对材料进行保护环境下，碳纤维是目前已知所有材料中强度唯一不下降的材料，碳纤维的优势是钢以及其他合金金属无法比拟的。另外碳纤维还具备高度耐腐蚀、减震等效果。目前碳纤维已经成为我国经济以及国防建设必不可少的材料之一，其在国际上也有着“黑色黄金”之称。

1 碳纤维的发展历史

1.1 碳纤维的国外发展历程

碳纤维的发现最找起源于18世纪中期，英国著名发明家斯旺与美国发明家爱迪生通过利用竹子以及纤维素制造了最早的碳纤维，并且将之用于电灯的灯丝中。直到上个世纪50年代，美国科学家开始对粘胶基碳纤维进行深入研究，并且于1959年生产出了“T hormei-25”粘胶基碳纤维。同年日本科学家藤昭男在全球范围内第一个发明了聚丙烯晴基碳纤维。1962年日本东丽公司开始从碳纤维原丝的角度进行研究，于1967年研制成功了T300聚丙烯晴机碳纤维。1966年，英国著名材料研究所，皇家航空研究所通过对碳纤维技术进行改良，从而研发了一套完整的高强度、高模量的PAN基碳纤维的全新途径，直到1969年，如本动力公司世界率先研发了特殊单体共聚而成的PAN基碳纤维原丝，并结合当时美国的碳纤维生产技术，生产出当时具备最高强度、模量的碳纤维。由此在世界范围内激发了研究碳纤维的浪潮。同期，美、德等国家也通过引进其他国家先进碳纤维技术自主进行原丝以及碳纤维的研发。但从目前国际对碳纤维的研发以及生产实际情况来看，东丽公司依然是世界碳纤维研发与制造的领导者。

1.2 国内碳纤维的发展历程

相对与碳纤维研发与制造发达国家，碳纤维在我国的发展相对较晚，并且无论是研发成果还是制造工艺，同发达国家相比还存在一定差距。我国碳纤维的研发开始于上个世纪60年代，并且在1976年成功建设了年生产在2t/a的碳纤维实验生产线，其坐落在山西煤化所。直到80年代，我国开始注重高强度、高模量的碳纤维研究。在1988年我国成功建设成产能在40t/a的中试线。目前在国内PAN基碳纤维生产水平相对较高的企业主要有大连兴科碳纤维有限公司以及中石油吉化公司等。

2 碳纤维的应用现状

2.1 航空领域

截止2015年末，航空航天对碳纤维的需求增长了90%，达到11.3万吨，预计到2020年，仅航空航天领域对碳纤维的需求将达到2万吨。碳纤维成为航空航天多部件的主要材料，广泛应用于发动机、涡轮等部位。根据相关数据表明，在小型直升飞机以及小型商务飞机中，碳纤维材料占飞机材料比重的45%左右，运用飞机碳纤维材料占比达到35%左右。在民用航天中，空客在A380大型飞机中所使用的碳纤维材料占据整个飞机比重的20%左右。我国商务飞机C919中碳纤维所占比重也达到25%。在航天领域上，碳纤维材料的应用更加广泛，在导弹、火箭等发射筒以及发动机、防热层中都出现碳纤维的身影。大大降低了航天器的质量，提升了航天器的运输能力。

2.2 体育领域

体育领域目前是碳纤维的第二大消耗领域，近年来体育领域每年消耗碳纤维达到5千吨，自2006年到2015年之间，体育领域对碳纤维的需求每年保持3%的增长速度。碳纤维在体育用品领域的应用主要集中于高尔夫球杆、鱼竿、自行车、滑雪板等高档体育用品。相对于传统金属材料用品，碳纤维材料可减重最高达50%以上。目前我国于2009年建设成第一家碳纤维自行车厂商，相对铝金属材质，碳纤维自行车降低总体质量40%。

2.3 汽车领域

随着人们对汽车要求的越来越高，汽车的轻量化与安全化、发动机效率的高效化已经成为当代汽车消费的主要参考因素之一，碳纤维材料则成为了理想的结构材料。目前碳纤维广泛应用于汽车发动机的推杆、连杆、传动轴等多部件中，另外在汽车加速器、底盘悬置件、车门等多部件也有很大应用。2015年全年，仅我国汽车行业对碳纤维材料的需求便已经达到3.5千吨，预计到2020年，汽车行业对碳纤维的需求将达到一万吨。

2.4 其他领域

除上述三大领域外，碳纤维材料由于其强大的物理性能广泛应用于其他行业中，例如在风力发电中，碳纤维广泛应用于分离发电机的叶片的制造。在建筑领域，体碳纤维应用于屋顶、混凝土、桥梁等建筑物。在石油领域中应用于石油抽油杆、石油运输管道、钻井平台等领域。总之，碳纤维由于其众多优势在各行各业中都有着巨大引用前景，碳纤维材料必然将成为未来主要材料。

[1]李建利,张新元,张元,王海涛,赵领航.碳纤维的发展现状及开发应用[J].成都纺织高等专科学校学报,2016(2).

[2]赵碎彬,鲁盈.碳纤维的发展及其应用现状[J].求知导刊, 2016(1).