碳纤维的性雒、发展及应用研究进展yd18723
陈显明 西京学院，陕西西安710123
收稿日期：2014-01-21
作者简介：陈显明(1979-)，男，吉林长春人，讲师，硕士研究生，研究方向：通信及材料技术
原载：印染助剂2015/7；1-4
【摘要】综述了碳纤维的性能、发展过程和应用领域.介绍了碳纤维的分类、性能特征以及国内外发展概括，分析了碳纤维的现状、不足及发展趋势.详述了碳纤维在航空航天、体育、工业、建筑、能源、医疗卫生等领域的应用研究.
【关键词】碳纤维；性能；发展；应用
【中图分类号】TQ34T.74；TS102.52 文献标识码：A 文章编号：1004-0439(2015)07-0001-04
碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、优异的电性能和较小的体积质量等特性，既具有碳材料的固有特性，又具备纺织纤维的柔软可加工性和优异的力学性能，近年来，已广泛用于国防、军用和民用等领域，是我国现阶段鼓励优先发展的高技术纤维[1-3].国外已经实现了碳纤维的工业化，而我国还处于研制阶段.由于发达国家作为战略物资进行管制，在一定程度上制约了我国碳纤维的发展.因此，加速碳纤维的研制和生产是一项艰巨而迫切的任务.
1 碳纤维的生产工艺、性能及分类
1.1 生产工艺
碳纤维是采用含碳的有机纤维或低分子烃气体为原料，在一定温度和压强下，经过原丝制造、预氧化、碳化等强热过程制成.原丝制造聚合和纺丝工艺采用一步法合成时需要同一种溶剂，工艺成熟且生产成本较低.预氧化处理是碳纤维生产过程中最关键的步骤，反应过程复杂，使含碳量增加，形成乱层石墨结构的碳纤维.碳化过程是碳纤维在高温下进行石墨化处理，非碳元素被排除，使含碳量达到99％以上，乱层石墨结构转化为类似石墨的层状结晶结构.
1.2 性能
碳纤维的抗拉强度很高，是钢材的4～5倍，比强度为钢材的l0倍，高模量碳纤维抗拉强度比钢材大68倍以上，弹性模量比钢材大1.8～2.6倍.而碳纤维的密度为钢材的1／4，即便是制作复合材料，密度也变化不大.碳纤维的热膨胀系数小，热导性好，导热率随温度升高而下降，耐高温和低温性能好，耐骤冷、急热性能好.碳纤维的导电性优良，25℃高模量碳纤维电阻率为7.75x10-2Ώ·m，高强度碳纤维为1.5×10-1Ώ·m[3-4]碳纤维的稳定性好，如耐酸性强，能耐浓盐酸、硫酸的腐蚀和浸渍，还抗辐射，能吸收有毒气体.碳纤维与其他材料相容性好.碳纤维质量较轻，弯曲性好，可加工性好，适用于不同的构件形状.碳纤维设计自由度大，成型较方便，能满足不同产品性能的要求.施工时不需要大型设备，工艺简单，对原结构没有损伤.
1.3 分类
按原丝类型分为4类：聚丙烯腈碳纤维、沥青碳纤维、粘胶碳纤维和酚醛碳纤维.聚丙烯腈碳纤维应用最广、发展最快，产量约占95％，主要用于碳复合材料骨架构件；沥青碳纤维具有高模量、高强度、导电、耐高温等优良特性，用于航天工业的工程材料，产量约占4％；粘胶碳纤维产量约占1％，用于隔热和耐烧蚀材料；酚醛碳纤维处于研究阶段，暂未形成工业化.按形态分为：长丝、短纤维和短切纤维.长丝用于宇航和工业构件中；短纤维用于建筑行业.按力学性能分为：高性能型和通用型.高性能型碳纤维强度为2 000 MPa、模量为250 GPa以上；通用型碳纤维强度为1 000 MPa、模量为100 GPa左右.
按行业应用分为：宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维.ih 丝束为1 K、3 K、6 K(1 K为1 000根长丝)，现在较多的为12 K和24 K；大丝束为48 K以上，直到480 K.
2 碳纤维的发展
2.1 国际碳纤维的发展
20世纪中叶，发达国家投入大量人力和物力研究碳纤维，到70年代实现了工业化生产.进入21世纪，碳纤维的发展更为迅速.近年来，随着碳纤维应用领域的扩大，碳纤维的市场需求急剧增加，推动了碳纤维的研究和生产.目前，世界上碳纤维技术和生产主要集中在美国、日本等几个国家，日本和美国占全球的77％以上[5]5.主要生产厂商为日本东丽，美国HEXCEL、ALDILA，韩国泰光产业，德国SGL西格里集团等[6]40.世界需求量最大的T300碳纤维正迅速向T700性能水平过渡[7],英国剑桥大学研发的一种新型碳纤维，强度和硬度远远高于现有防弹衣，这种碳纤维可以制成新型防弹衣和护体盔甲，提高保护性能[8].碳纤维性能不断提高，可扩大应用范围，使产品规格和品种呈多样化发展.
2.2 我国碳纤维的发展
我国从20世纪6O年代开始研发碳纤维，进展较为缓慢.进入21世纪后得到空前的发展，生产厂家的数量和碳纤维的产量都在逐年上升.相对于发达国家，我国碳纤维发展相对缓慢，但是市场要求很高，刺激了碳纤维的发展，随着我国的需求增长，碳纤维已成为国内材料行业研发的热点之一.但我国碳纤维生产水平较低，大部分依赖进口，无论质量还是规模与
国外相比都有一定的差距 .预计我国碳纤维的需求量将进人一个快速发展的时期，2019年，我国碳纤维需求量约为22 500 t，年均增长速率达到22.0％，国内碳纤维产品将出现供大于求的局面 [10].目前，我国碳纤维发展主要存在以下几个问题：(1)原丝质量较差，杂质含量较高，碳纤维性能不稳定；(2)数量和规模低于国际水平；(3)生产装备水平较低，没有自主知识产权，影响产品的国际竞争；(4)品种和规格单一，应用研究和市场开发滞后，主要依赖于进口[11].这些因素制约了我国碳纤维的发展.
2.3 碳纤维的发展趋势
随着碳纤维应用领域的扩大，需求量也快速增长，促使各国碳纤维生产厂家加大资金投入、扩大生产 碳纤维进入高速发展阶段[12].
因碳纤维的性能不断完善，产品规格和品种呈多样化发展，产品质量稳定性也在不断提高.碳纤维应该朝着低生产成本和低应用成本发展，采用新工艺和新方法来降低生产成本和生产时间，提高效率，加大应用研究，开发适应市场需要的新品种，满足人们生产和生活的需要，如汽车部件、工程塑料、风电叶片和压力容器等.对废弃的碳纤维复合材料进行回收再利用，既降低了环境污染，又提高了碳纤维的使用价值.国家鼓励碳纤维行业健康有序发展，满足航空航天及国民经济等产业的发展，培育一批具有竞争力和影响力的企业，同时，制定和完善碳纤维生产和应用的相关标准，使其健康、稳定、快速地发展，尽快掌握碳纤维生产的核心技术，实现自主创新，尽快实现国产化生产.
3 碳纤维的应用
碳纤维具有优良的物理化学性质，广泛应用于航空航天、体育、工业、建筑、能源和医疗卫生领域[13-14]，也促进了国民经济和产业结构的发展.
3.1 航空航天
碳纤维质量小，可以节约大量燃料，据报道，航天飞机质量每减少1 kg就可使运载火箭减轻500 kg[15] .碳纤维具有一定的刚性和导热性，使碳纤维复合材料在导弹、火箭等航天领域得到了广泛应用.碳纤维增强树脂复合材料是生产武器、飞行器的重要材料[16]，用于飞行器上可以起到明显的减重作用，提高抗疲劳、耐腐蚀性能.
波音公司生产的飞机材料中，50％使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料，可减轻飞机质量，而刚度和强度不降低，节约了燃料.如果碳材料的比例继续增加，会使飞行速度提高20％左右[6]41 .预测到2020年，只有复合材料才有潜力使飞机获得20％ 50％的性能提升，碳纤维复合材料用量将达到65％[3]67 .
3.2 体育
碳纤维复合材料具有树脂基体和碳纤维的特性，力学性能优良，所以，体育器材中碳纤维复合材料的力学性能比传统的木材及其复合材料高得多.
碳纤维在体育领域应用较多，如高尔夫球杆、球拍、帆船桅杆、棒球球杆等.高尔夫球杆使用碳纤维使其质量减轻，球可以获得较大的初速度；同时，碳纤维具有高阻尼特性，所以击球时间增加，球被击起的距离增加.高级自行车的关键部位大多使用碳纤维，赋予车体较好的刚性和减震性能，且质量较轻.2008年，国内研究碳纤维在自行车上的应用取得突破性进展。由碳纤维制造的自行车，质量仅9.5 kg，为普通自行车的2／5，但是抗撞击能力却为普通自行车的8倍.
3.3 工业
碳纤维用于家用电器、半导体和机器部件中，有提高强度、防护电磁波等作用.例如，碳纤维已经成为汽车制造及内外装饰的常用材料，在刹车片、引擎、尾翼和传动轴中广泛应用[17]，最大的特点是强度大、质量轻，质量仅为钢材的20％-30％，硬度为10倍以上.随着碳纤维在汽车领域应用的发展，节能效益也十分显著.随着环保要求的提高，目前在汽车发动机、燃料箱和汽车尾部沸腾器应用较多.奔驰跑车车身几乎全部采用碳纤维复合材料，质量轻，但对碰撞能量的吸收能力却很高，不仅降低车重，车速提高，而且提供安全保障.李建利等[18]。研究了制动性好、密度低的碳纤维复合材料刹车片的发展历程以及在火车、汽车和飞机上的应用，从使用寿命、噪音和性能等方面考察，碳纤维复合材料刹车片均具有很大的优势.
3.4 建筑
碳纤维密度小、强度高、抗腐蚀性好、柔韧性好、稳定性好、应变能力强，是桥梁、建筑物加固和抗震的理想材料，在工业与民用建筑物、桥梁、隧道等建筑领域发展很快[19-20]，.碳纤维制成的构架屋顶，可减小建筑的体积和质量，使施工效率和抗震性提高.碳纤维复合材料的强度和模量高于钢材，弹性模量与钢材相当，但是拉伸强度远远大于钢材，耐久性能好.作为土木工程材料，在美国、Et本和欧洲等国家和地区得到了大量推广.碳纤维复合材料补强混凝土时，不需要加铆钉和螺栓固定，耐久性好，可提高结构构件抗弯承载力，减少地震危害，施工工艺简单，不改变混凝土结构’延长使用寿命[5,10,21-22].
3.5 能源
由于传统火力发电对环境有污染，所以风力发电越来越受到人们的重视[23].提高发电效率一直是风力发电追求的目标.随着科技的进步，传统玻璃纤维在大型复合材料叶片中逐渐显示其性能的不足，耐久性好、质量轻、高强的玻璃纤维和碳纤维复合材料成为发电机叶片的首选材料，可以提高叶片的捕风能力.用于对材料强度和刚度要求高的翼缘部位，不但可以提高叶片的承载能力，促进风力发电的发展，而且碳纤维的导电性可避免雷击损伤.据分析，采用碳纤维叶片可减重20％～40％[5]6.
此外，碳纤维在电化学领域也有应用[24-25] .研究发现，碳纤维可以满足燃料电池的要求[26]，与传统碳材料相比，具有质量轻、体积小和效率高等优点.用碳纤维制成质子交换膜扩散电极材料已经得到很好的发展.
3.6 医疗卫生
碳纤维及其复合材料可以制成人造假肢和人工骨骼等，性能稳定，生物相容性好，可与人体细胞共存.杨小平等[27].研制的碳纤维导电发热材料具有辅助理疗保健的作用，可加快新陈代谢，促进血液循环，加快伤口愈合速度.
碳纤维还具有x光透过性，CT扫描时将木床改为碳纤维纺织品覆盖可以减少对X光的吸收。碳纤维x光线透过性为木材的10倍[28].随着医疗水平的提高，在仪器设备上采用碳纤维复合材料具有较大的应用前景.
4 结语
碳纤维具有很多优良的物理化学性能，在生产和生活中应用广泛.国外已实现了工业化，而在我国还处于研究开发阶段.目前任务是突破关键技术，实现自主创新，完善生产工艺，稳定产品质量，积极发展碳纤维循环再利用产业.坚持科学管理，实现研究、生产和应用相结合，可进一步提高碳纤维的质量和性能.大力开发碳纤维复合材料，拓宽应用领域，满足人们的需求.同时，借鉴国外研究碳纤维的经验，建立相关机制，使我国碳纤维快速健康地发展.
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