盡管碳纖維均是由原料纖維經(jīng)高溫碳化而成，但根據(jù)基礎(chǔ)原料不同可以分為三類：一是以聚丙烯腈(PAN)為原料高溫碳化形成的碳纖維，為PAN基碳纖維；二是以瀝青為原料高溫碳化形成的碳纖維，為瀝青基碳纖維。三是以粘膠纖維原料高溫碳化形成的碳纖維，為粘膠基碳纖維。由于PAN基的碳纖維在強(qiáng)度上要優(yōu)于瀝青基、粘膠基碳纖維，在全世界的碳纖維生產(chǎn)中占有90%的比例，具有絕對性的壓倒優(yōu)勢，因此以下所討論的碳纖維行業(yè)均是指PAN基碳纖維。
碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7-9倍，抗拉彈性模量為23000-43000Mpa，亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。碳纖維目前被劃分為宇航級(Aerospace-grade)和工業(yè)級(Commercial-grade)兩類，亦稱為小絲束(Small-strand tow或Small tow)和大絲束(Large-strand tow或Large tow)。通常把48K以上的碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括60K、120K、360K和480K等。宇航級碳纖維初期以1K、3K、6K為主，逐漸發(fā)展為12K和24K，主要應(yīng)用于國防軍工和高技術(shù)以及體育休閑用品，像飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星和釣魚桿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等。工業(yè)級碳纖維應(yīng)用于不同民用工業(yè)，包括紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機(jī)電、土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等。特別是近年來工業(yè)級碳纖維滲透進(jìn)入傳統(tǒng)宇航級碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，開始在體育休閑用品上獲得一定程度的應(yīng)用，估計這一趨勢將進(jìn)一步擴(kuò)大發(fā)展
二、碳纖維技術(shù)含量高
當(dāng)生產(chǎn)PAN基碳纖維的時候，被稱為“母體”的聚丙烯腈纖維首先要通過聚合和紡紗工藝加工聚丙烯腈而成。然后，將這些母體放入氧化爐中在200-300攝氏度進(jìn)行氧化。另外，還要在碳化爐中，在溫度為1000-2000攝氏度間進(jìn)行碳化制成碳纖維。
盡管碳纖維生產(chǎn)流程相對較短，但生產(chǎn)壁壘很高，其中碳纖維原絲的生產(chǎn)壁壘是難中之難，具體表現(xiàn)在碳纖維原絲的噴絲工藝、聚丙烯腈聚合工藝、丙烯腈與溶劑及引發(fā)劑的配比等。目前世界碳纖維技術(shù)主要掌握在日本的東麗公司、東邦Tenax集團(tuán)和三菱人造絲集團(tuán)手中，這3家企業(yè)技術(shù)嚴(yán)格保密，工藝難以外露，而其他碳纖維企業(yè)均是處于成長階段，生產(chǎn)工藝在摸索中不斷完善。我國碳纖維現(xiàn)階段絕大部分依賴進(jìn)口，但華皖碳纖維、少數(shù)科研院所及山東光威集團(tuán)都力爭在碳纖維生產(chǎn)方面獲得突破。
PAN原絲不僅影響碳纖維的質(zhì)量，而且影響其產(chǎn)量和生產(chǎn)成本。換言之，只有高質(zhì)量的原絲才能生產(chǎn)出高性能碳纖維，才能穩(wěn)定生產(chǎn)，提高產(chǎn)量，降低成本。對于現(xiàn)代碳纖維生產(chǎn)線，要求喂入絲束數(shù)在100以上，且高速運(yùn)行；如果原絲質(zhì)量低劣、彼此性能差異較大，易在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生毛絲纏結(jié)，甚至發(fā)生斷絲，很難穩(wěn)定生產(chǎn)，這樣必然加大原絲的損耗。對于質(zhì)量好的PAN原絲，用2.2kg左右的原絲可生產(chǎn)出1kg碳纖維；而質(zhì)量差的原絲，則需2.5kg，甚至更高，這必然加大生產(chǎn)成本，而原絲成本占碳纖維生產(chǎn)成本的50%-65%。所以，PAN原絲質(zhì)量不僅可左右碳纖維的性能，而且也制約著碳纖維的生產(chǎn)成本和市場競爭能力。
碳纖維是由有機(jī)PAN纖維經(jīng)過一系列熱處理轉(zhuǎn)化而來的。碳纖維屬于脆性材料，拉伸強(qiáng)度等性能受控于各類缺陷。因此，在一定意義上講，提高碳纖維的拉伸強(qiáng)度等性能就是采取技術(shù)措施減少缺陷數(shù)目、減小缺陷尺寸的過程。碳纖維的缺陷產(chǎn)生可大致分為兩類：一類是先天性缺陷，由PAN原絲“遺傳”給碳纖維；第二類是后天性缺陷，在預(yù)氧化、碳化等一系列后處理過程中產(chǎn)生。從缺陷在碳纖維中所處的位置，又可分為表面缺陷和內(nèi)部缺陷兩大類，其中表面缺陷占缺陷總數(shù)的90%左右，對拉伸強(qiáng)度的影響要比內(nèi)部缺陷大得多。
三、碳纖維應(yīng)用前景廣闊
隨著航空航天領(lǐng)域?qū)τ谔祭w維需求出現(xiàn)快速增長，風(fēng)力發(fā)電等其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域也出現(xiàn)快速增長，從而使碳纖維的需求幅度增加，全球碳纖維市場正以平均每年兩位數(shù)的速度快速增長。1985-2005年世界聚丙烯腈基碳纖維的需求量見表1。預(yù)計2006年全球碳纖維需求量將達(dá)到2.5萬噸／年，2010年則將達(dá)到3.2萬噸／年，全球碳纖維的供給與需求將出現(xiàn)緊張局面。
一架空客A380需耗用30噸碳纖維、一架波音787飛機(jī)需耗用20多噸碳纖維，隨著飛機(jī)制造業(yè)的快速發(fā)展，碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用明顯增長。
在制造導(dǎo)彈過程中，如果將導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)和彈體等部分外殼換成碳纖維復(fù)合材料，不僅能減輕導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，還能提升導(dǎo)彈的射程能力。此外，碳纖維技術(shù)還能使導(dǎo)彈能承受5000攝氏度以上的高溫。保證彈內(nèi)輔助系統(tǒng)在高溫下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
碳纖維作為特大風(fēng)力發(fā)電葉片的主要材料，需求也出現(xiàn)明顯增長。隨著發(fā)電單機(jī)功率的增大，要求葉片長度不斷增加。對葉片來講，剛度也是一個十分重要的指標(biāo)。始于上世紀(jì)末的相關(guān)研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當(dāng)與樹脂材料混合時，則成為了風(fēng)力機(jī)適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一，碳纖維復(fù)合材料葉片剛度是玻璃鋼復(fù)合葉片的2-3倍。因此，全球各大復(fù)合材料公司正在從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等各方面深入研究，以求降低成本。VESTAS的V-90型風(fēng)力機(jī)容量為3.0MW，葉片長44m，其樣品試驗采用了碳纖維制造；GAMESA在其直徑為87米、90米葉輪的葉片制造中包含了碳纖維；NEG Micon正在制造碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的40米葉片。這3家公司的碳纖維都采購自St.Louis-based Zoltek公司。德國葉片制造廠家Nordex Rotor開發(fā)了56m長的碳纖維葉片，他們認(rèn)為葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片的制作成本并不比玻纖的高。
碳纖維有耐腐蝕性，因此可以廣泛應(yīng)用于沿海鉆井平臺的構(gòu)件，比如圍欄等，而且可以減輕質(zhì)量，便于現(xiàn)場安裝，是碳纖維未來的巨大市場。
碳纖維在汽車領(lǐng)域可以替代鋼材，制造CNG瓶、保險桿、底盤等汽車配件，使汽車質(zhì)量降低40%以上，從而節(jié)省燃油7%，符合有效節(jié)能的未來發(fā)展優(yōu)勢。
在高速公路尤其是西部山區(qū)高速公路建設(shè)中，高路堤的設(shè)計施工一直存在邊坡穩(wěn)定和豎向沉降兩個問題。按照傳統(tǒng)施工，工程常采用增大放坡比例或建造擋土墻的辦法，但前者必然占用大量的土地和增加填方工作量，后者又必然大大提高工程造價。京珠高速湖南段臨長高速公路平江縣境內(nèi)有一路段平均填土高度達(dá)7.4米，加上地質(zhì)條件差，易留下路基不均勻、導(dǎo)致沉降等安全隱患。針對該工程的難點，課題主要負(fù)責(zé)人、湖南大學(xué)土木工程學(xué)院院長尚守平教授采用現(xiàn)代加筋土技術(shù)提供一個經(jīng)濟(jì)簡潔的施工方案。課題組大膽采用碳纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用于加筋土工程，給高速公路“強(qiáng)筋健體”，各項數(shù)據(jù)都表明該成果在試驗路段應(yīng)用成功。據(jù)課題鑒定組組長王永和教授介紹，湖大專家首次將碳纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用于高路堤建設(shè)，不但豐富了我國加筋土結(jié)構(gòu)中筋材的類型，而且將這項新技術(shù)推廣到西部高山丘陵區(qū)的公路建設(shè)中，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
江蘇遠(yuǎn)東集團(tuán)和美國一家高科技公司聯(lián)合開發(fā)的新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線獲得成功。與傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、耐高溫、耐腐蝕、線損低、弛度小、與環(huán)境親和等優(yōu)點，可提高傳輸容量1倍，減少20%桿塔數(shù)，減少有色金屬消耗，降低傳輸損耗。該技術(shù)推廣將有利于我國構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型輸電網(wǎng)絡(luò)。
四、碳纖維市場供應(yīng)形勢
隨著國際碳纖維的市場快速增長，日本的東麗公司、東邦Tenax集團(tuán)和三菱人造絲集團(tuán)等碳纖維生產(chǎn)巨頭紛紛在2004年左右開始擴(kuò)產(chǎn)，但由于碳纖維生產(chǎn)裝置從設(shè)計、安裝、試車到產(chǎn)生制品需要2-3年的時間，估計到2007年以后才能有產(chǎn)能擴(kuò)張，因此在2008年之前國際碳纖維的供給仍然緊張。在2008年之后，碳纖維有望在海上鉆井平臺、汽車等其他工業(yè)領(lǐng)域獲得積極拓展，碳纖維市場需求潛力仍然十分巨大。
由于碳纖維過去主要應(yīng)用在軍工行業(yè)，因此一直是對華禁運(yùn)物資，近年來隨著碳纖維向民用工業(yè)轉(zhuǎn)移，國際社會碳纖維的制造技術(shù)與產(chǎn)品對華出口有所松動，通用級碳纖維進(jìn)口渠道已開通，但高性能碳纖維對我國依然限制，通用級碳纖維成套技術(shù)出口尚須出口國政府特批。日本政府規(guī)定，如果從日本出口此類產(chǎn)品，必須申請許可，進(jìn)口者一方還必須提出“誓約書”，確認(rèn)碳纖維沒有轉(zhuǎn)用于軍事用途。
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