碳纖維（Carbon Fiber，簡稱CF）

 

　　由有機纖維（粘膠基、瀝青基、聚丙烯腈基纖維等）在高溫環境下裂解碳化形成碳主鏈機構的無機纖維，是一種含碳量高于90%的無機纖維。

 

 

　　碳纖維材料具有優異的力學、化學、電學等性能，包括：強度高，是鋼的5倍；密度小，是鋼的1/5、鋁合金的1/2；耐熱性好，可以承受2000℃以上的高溫；熱膨脹系數低，可以耐急冷急熱，在溫差變化較大的情況下，變形量較低；耐腐蝕性能好，能耐硫酸等強酸的腐蝕；抗拉強度好，能達到鋼的7～9倍。碳纖維材料不僅具有碳材料的固有特性，還兼備了紡織纖維的柔軟可加工性，是國民經濟與國防建設不可缺少的新一代增強新材料，被譽為“黑色黃金”。

 

　　碳纖維可以按照原絲類型、力學性能、絲束大小等不同維度進行分類。

 

 

　　按照原絲類型進行分類：碳纖維的原絲主要有聚丙烯腈（PAN）原絲、瀝青纖維和粘膠絲，由這三大類原絲生產出的碳纖維分別稱為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。其中，聚丙烯腈（PAN）基碳纖維相較于其他兩種碳纖維工藝難度更低，并且擁有優異的成品品質和優良的力學性能，目前占據主流地位，產量占碳纖維總量的90%以上，粘膠基碳纖維還不足1%。

 

圖：各原絲類型碳纖維市場份額

 

　　在按絲束大小分類中，K表示碳纖維單絲的數量，如1K代表一束纖維絲里包含了1000根單絲。一般而言，每束碳纖維根數小于24000根（24K）的被稱為小絲束；大于48000根（48K）的則稱為大絲束。小絲束碳纖維在工藝控制上要求更嚴格，碳化等設備造價高，主要應用于國防軍工等高科技領域，以及體育用品，如飛機、導彈、火箭、衛星和漁具、高爾夫球桿、網球拍等；大絲束碳纖維成本相對較低，具有更高的性價比，主要應用于醫療器械、機電、土木建筑、交通運輸和能源等工業領域。

 

　　按力學性能分類：碳纖維因其優良的力學性能，在應用時多是作為增強材料，因此使用中更多的是按其力學性能進行分類，拉伸強度和模量是國際碳纖維分類的主要標準，可分為高強型（GQ）、高強中模型（QZ）、高模型（GM）、高強高模型（QM）。我國已于2011年11月13日頒布了《聚丙烯腈（PAN）基碳纖維標準（GB/T26752-2011）》，由于日本東麗在碳纖維行業具有絕對優勢，國內一般采用日本東麗（TORAY）標準進行分類。

 

　　因聚丙烯腈（PAN）基碳纖維是目前的碳纖維主流，故下文重點分析聚丙烯腈（PAN）基碳纖維相關情況。

 

 

　　完整的碳纖維產業鏈包含從原油到終端應用的完整制造過程：先從石油、煤炭、天然氣等化石燃料中制得丙烯，并經氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈經聚合和紡絲之后得到聚丙烯腈（PAN）原絲；再經過預氧化、低溫和高溫碳化后得到碳纖維；碳纖維可制成碳纖維織物和碳纖維預浸料；碳纖維與樹脂、陶瓷等材料結合，可形成碳纖維復合材料，后由各種成型工藝得到下游應用需要的終產品。

 

圖：碳纖維產業鏈構成

 

　　對于聚丙烯腈（PAN）基碳纖維而言，上游的原絲制備技術是其制備的核心。碳纖維的強度顯著地依賴于原絲的微觀形態結構及其致密性。質量過關的原絲是產業化的前提，是穩定生產的基礎。吉林碳谷、上海石化是碳纖維原絲領域的重量級企業。吉林碳谷將原絲商品化，原絲業務占其2017年總營收的90%以上；上海石化是國內少有的、擁有自主腈綸技術、裝備完產化的企業，具備在現有的腈綸裝置上生產原絲的技術能力。

 

　　碳纖維復合材料是指以碳纖維為增強體，樹脂、金屬、陶瓷等為基體的復合材料的總稱。常見的碳纖維復合材料主要有樹脂基復合材料（CFRP）、炭基復合材料（C/C）、金屬基復合材（CFRM）、陶瓷基復合材料（CFRC）和橡膠基復合材料（CFRR）等。其中樹脂基復合材料（CFRP）是市場需求為廣闊的碳纖維復合材料，2017年的需求量為118.7億美元，占總碳纖維復合材料需求總量的69.25%。

 

表：碳纖維復合材料的分類、特點及應用領域

 

 

　　碳纖維復合材料自20世紀50年代面世以來，因其獨特的性能，主要用于火箭、航天、航空等尖端科學技術，隨著碳纖維復合材料性能的不斷完善和提高，目前在航空航天、石油化工、交通運輸、土木工程、風力發電、體育產品等領域得到廣泛應用。

 

　　碳纖維復合材料的應用領域

 

　　碳纖維復合材料的材料性能及發展趨勢順應了汽車工業輕量化的發展需求，特別是隨著新能源汽車的發展，碳纖維復合材料在汽車上將得到越來越廣泛的應用。鑒于碳纖維復合材料具備的優異性能，目前已經逐漸開始被應用到國外汽車內外飾、底盤以及電器元件當中。

 

　　未來，碳纖維復合材料以及熱塑性復合材料等在汽車工業上的應用將替代傳統的金屬零部件。

 

　　航空工業早大量采用碳纖維復合材料。在航空工業中，飛行器的質量輕，就意味著油耗的降低，速度的加快，碳纖維強度高、密度低、變形量低的特點決定了碳纖維是理想的航空材料。大客機歐洲空客A380機身內外，碳復合材料用量超過40%的比例，客機上的機艙內壁板、后機身蒙皮、水平安定面等都由碳纖維復合材料制成；被稱為“黑色飛機”的波音787客機，碳復合材料占其全重50%以上，質量比傳統的鋁合金機體減輕近20%，耗油量大大降低，碳排放量每年可減少2700噸；而國產大飛機C919的碳復合材料目前還只有約20%。美國的“超級大黃蜂”戰斗機、法國的“陣風”戰斗機、歐洲的“臺風”戰斗機都大量使用碳纖維復合材料。碳纖維復合材料在航空工業上有著巨大的應用潛力。

 

　　碳纖維復合材料可以減輕火箭和導彈的重量，加大火箭和導彈的射程，提高落點的精度。美國的戰斧式巡航導彈和三叉戟-2型導彈的發動機殼體采用的就是碳纖維復合材料。我國早在上世紀八十年代就在某型海防導彈上成功采用了碳纖維復合材料，使導彈的射程增大。“天宮一號”上的相機支架組件就是采用了由哈爾濱玻璃鋼研究院研制的碳纖維復合材料。人造衛星展開式太陽能電池板也多采用碳纖維復合材料制作。目前碳纖維復合材料作為結構隱身材料也已經得到了某些應用。

 

　　航天工業之所以選擇使用碳纖維復合材料，不僅是因為這種材料能夠減輕機身重量，同時其具備耐腐蝕、抗疲勞等優良特性。但是與傳統金屬材料相比，碳纖維復合材料由于成本過高仍然未被廣泛應用。

 

　　碳纖維復合材料剎車片主要用于高速列車，是碳纖維復合材料的又一重要應用。日本、法國已經成功地將碳纖維復合材料剎車片應用于新干線和TGV高速列車制動，德國Knoor Bremse公司也研制出了高速列車用碳纖維復合材料盤型制動器。隨著我國高速列車的飛速發展，碳纖維復合材料剎車片有著廣闊的發展空間。

 

 

　　上世紀40年代，美國海軍次將碳纖維復合材料用于船舶建造。得益于它在海水環境中表現出的優異性能，在海洋船舶中的應用非常廣泛。復合材料優異舒適性的設計理念和無縫船體的優勢進一步推動了各種復合材料船舶的開發。

 

　　近年來，碳纖維復合材料在船只上的使用不斷增加，主要包括船殼、地板、甲板、艙壁，以及管道系統、油箱等上層建筑。碳纖維復合材料的應用不僅降低了制造和維修成本，改善外觀，還可以減輕噸位，提高安全性。

 

　　在風力發電領域，復合材料是制造風力發電葉片及其它重要結構部件的主要材料，葉片90%以上重量由復合材料組成，能夠滿足開發大型化、輕量化、高性能、低成本的發電葉片的要求。隨著大絲束碳纖維的廣泛應用，碳纖維價格的不斷降低，碳纖維在大型葉片中的應用已成為一種趨勢。

 

　　未來風力發電葉片制造中，碳纖維代替部分玻璃纖維應用于葉片、且用量逐步增加是高性能碳纖維復合材料發展的必然結果。

 

 

　　碳纖維復合材料在運動器材中也得到了廣泛應用。包括高爾夫球桿、網球拍、滑雪板、釣魚竿、自行車架、冰球拍、船槳、賽艇等，都已經形成了成熟的市場。

 

 

　　美國經過多年的努力，在20世紀90年代初研制成功了碳纖維復合材料連續抽油桿，試驗結果表明： 碳纖維復合材料連續抽油桿克服了普通鋼抽油桿質量大、能耗高、失效次數多、活塞效應大、作業速度慢、易磨損的缺點，是一種很有發展前途的特種抽油桿。近來亞洲大石油公司石油天然氣股份有限公司計劃大力發展碳纖維產業，拓寬碳纖維復合材料的應用領域，不斷向高端市場延伸，特別是海上鉆井平臺，目前每個平臺要使用鋼材8萬噸，如果改用復合材料，則每個平臺僅消耗1.3萬噸的碳纖維復合材料。深海油氣田將是碳纖維復合材料發揮作用的重要領域。

 

 

　　水泥在土木建材領域中用量大，但水泥也有諸如脆性大、抗拉強度低等缺點，而現在用混凝土或水泥做基體制成的碳纖維增強復合材料，克服了水泥強度低、在混凝土中易開裂、易受到氯鹽、硫酸鹽等侵蝕的缺點，在冬季及寒冷地區有很大的應用空間。在大型建筑中，鋼筋的使用量相當驚人，體育場“鳥巢”的鋼筋綁扎量達到5.2萬噸，施工量大，運輸、安裝費時費力，如果采用自身較輕的碳纖維，可以大大降低建筑結構的重量，方便施工，減少安裝時間，降低施工周期。用碳纖維和樹脂制成的碳纖維復合材料片，拉伸模量高、拉伸強度大，廣泛應用于加固受損的鋼筋混凝土結構物，用在石油平臺上可使石油平臺壁的耐沖擊性能大大增強。