高性能碳纤维的性能及其应用

第３９卷第４期２０１１年４月

辞瞌饵技术ＣｏｔｔｏｎＴｅｘｔｉｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

高性能碳纤维的性麓及其应用张新元何碧霞李建利张元（陕西省纺织科学研究所）

摘要：探讨高性能碳纤维的性能及其应用领域。介绍了碳纤维的分类、制备、性能特征、应用以及国内外产业发展状况，分析了国际碳纤维产业的情况和我国碳纤维产业的现状及发展趋势。碳纤维应用涉及航空航天、体育运动、一般削造业、土木建筑、能源开发等领域。随着科技的发展和碳纤维应用技术的不断完善，碳纤维产业的发展空间．必将越来越广。关键词：碳纤维；强度；比电阻；结晶度；聚丙烯腈；碳纤维机织物

中图分类号：ＴＳｌ０２．５２＋７．２文献标志码：Ａ文章编号：１００１．７４１５（２０１１）０４－００６５－０４

ＰｒｏｐｅｒｔｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＨｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ

ＺｈａｎｇＸｉｎｙｕａｎＨｅＢｉｘｉａＬｉＪｉａｎｌｉＺｈａｎｇＹｕａｎ（ＳｈａａｎｘｉＴｅｘｔｉｌｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ）

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ａｎｄｅｎｅｒｇｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆｉｅｌｄｅｔａ１．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｉｎｄｕｓｔｒｙｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｉｎｄｕｓｔｒｙｗｅｒｅａｎａｌｙｓｅｄ．ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｉｎｄｕｓｔｒｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｗｏｕｌｄｂｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅ

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高性能纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐气候、耐化学试剂等特性，是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。高性能纤维品种较多，目前已规模化生产的有碳纤维、芳纶纤维等，既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用，是性能优越的战略性新型材料。目前，高性能纤维中碳纤维是大规模生产的一个品种，具有较高的比强度、比模量和较小的体积质量。碳纤维既具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，具有优异的力学性能，近年来被广泛应用于航空、航天、汽车、化工、能源、交通、建筑、电子、体育运动器材等领域。１碳纤维的制备及分类碳纤维的制备目前是采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机作者简介：张新元（１９６２一），男，高级工程师，西安，７１００３８收稿日期：２０１０．１２－２３纤维与塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的环境中，在一定张力、温度、压强下，经过一定时间的预氧化、碳化和石墨化处理等强热过程制成。碳纤维按原丝类型可分为聚丙烯腈（ＰＡＮ）基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基碳纤维４类。ＰＡＮ基碳纤维是目前制备碳纤维的第一大原料，其产量约占世界总产量的９５％左右。沥青基碳纤维约占４％，粘胶基碳纤维约占ｌ％，酚醛基碳纤维尚处于实验室研究，未形成产业化。碳纤维按形态可分为长丝、短纤维和短切纤维。长丝应用在工业结构件和宇航结构件中，短纤维主要应用在建筑行业，如短碳纤维石墨低频电磁屏蔽混凝土、工业用碳纤维毡等。碳纤维按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为１０００ＭＰａ、模量为１００ＧＰａ左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度２０００ＭＰａ、模量２５０

ＧＰａ）和高模型（模量

３００ＧＰａ以上）。强度大于４０００ＭＰａ的又称为超

高强型；模量大于４５０ＧＰａ的称为超高模型。

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项目牌号抗拉强度拉伸模量断裂伸长热膨胀手数导热率电阻率体积质曼

…。／ＧＰａ／ＧＰａ／％／Ｋ～／Ｗ·（１１３．Ｋ１“／ｎ－Ｉｎ／ｇ·ｃｍ。

３碳纤维的应用目前，已经成熟的碳纤维应用形式有四种，即碳纤维、碳纤维织物、碳纤维预浸料坯和切短纤维。碳纤维织物是碳纤维重要的应用形式。碳纤维织物可分为碳纤维机织物、碳纤维针织物、碳纤维毡和碳纤维异型织造织物。碳纤维主要以“缠绕成形法”应用为主。碳纤维织物主要以“树脂转注成形法（ＲＴＭ也称真空辅助成型工艺）”应用为主。预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列或碳纤维织物经树脂浸泡，加热和塑化，使其转化成片状的一种产品。切短纤维是指将ＰＡＮ基碳纤维长丝切成数毫米长的短纤维，与塑料、金属、橡胶等材料进行复合，以增加材料的强度和耐磨性。目前，国内碳纤维织物的应用形式主要以碳纤维机织物为主。由于碳纤维轴向经编增强体中碳纤维完全平行伸直排列，纤维取向度高，纤维特性可以得到充分利用。目前国际市场的碳纤维应用形式逐渐向碳纤维轴向经编织物转变。随着碳纤维生产应用技术的不断提高，碳纤维的应用领域越来越广。３．１航空航天领域碳纤维复合材料广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天领域。碳纤维由于其质量小，所以动力消耗少，可节约大量燃料。例如２００７年问世的Ａ３８０超大型飞机，复合材料比重占２５％左右，百公里油耗不到３Ｌ／人；２００８年的

Ｂ７８７飞机用复合材料占５０％左右；将在２０１３年面世的Ａ３５０超宽客机，复合材料比重将达５２％左右，预计百公里油耗只有２．５Ｌ／人，几乎可与小汽车媲美。我国Ｃ９１９飞机提出了复合材料不

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低于２５％的目标，每架飞机用碳纤维约８ｔ一１０ｔ。专家预测：到２０２０年，只有复合材料才有潜力使飞机获得２０％～２５％的性能提升，复合材料将成为飞机的基本材料，用量将达到６５％。碳纤维增强树脂基复合材料也是生产武器装备的重要材料。在战斗机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，可以起到明显的减重作用，较大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，可比金属结构减轻质量３１．５％左右，减少零件６１．５％左右，减少紧固件６１．３％左右。目前，国外第四代军用飞机的结构重量系数已达到２７％一２８％。以Ｆ－２２为目标的背景机复合材料用量比例需求为３５％左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是Ｔ３００级和ＴＴ００级小丝束碳纤维增强的复合材料。全球航空航天领域碳纤维用量统计如表２所示。表２全球航空航天领域碳纤维用量统计３．２体育运动领域碳纤维最早的商业化应用就是体育运动休闲产品市场。多年来，碳纤维在高尔夫球杆中的使用一直居首位，年产量约为３４００万件，美国和日本是高尔夫球棒的主要消费地，占８０％以上。碳纤维在曲棍球棍和自行车架中的应用也逐年增多。而在球拍、钓鱼竿、滑雪板、帆板桅杆、帐篷杆及棒球球棒等产品中同样也看到碳纤维的身影。２００３年和２００４年世界碳纤维总消耗量分别为１９２１０ｔ和２０６８０ｔ，而用于体育休闲用品的碳纤维就超过５０００ｔ，占世界碳纤维总消耗量的２５％左右。３．３一般制造业领域在一般工业制造领域中，碳纤维材料现已成为汽车制造商青睐的材料。目前，碳纤维复合材料传动轴、刹车片、尾翼和引擎盖已经在汽车行业中被广泛应用。福特和保时捷ＧＴ型赛车发动机罩，奔驰５７Ｓ型轿车内装饰，通用雪佛莱轿车底盘，宝马Ｍ６型轿车顶篷，梅赛德斯一奔驰的ＳＬＲ迈凯轮超级跑车整个车身，法国标致的３０８ＲＣＺ

概念新车都已采用了碳纤维复合材料，使汽车更加轻量化。随着环保要求的提高，碳纤维开始被广泛应用于汽车尾部沸腾器、发动机、传动轴和燃料箱材料。在工业领域，碳纤维还可应用于机器部件、家用电器、微机及与半导体相关设备，起到提高材料强度、防静电和电磁波防护的作用。３．４土木建筑领域碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强，具有密度小，强度高，耐久性好，抗腐蚀能力强，可耐酸、碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强的特点。用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶，比钢材轻５０％左右，使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外，碳纤维做补强混凝土结构时，不需要增加螺栓和铆钉固定，对原混凝土结构扰动较小，施工工艺简便。３．５能源开发领域

随着人类环保意识的提高，大型风力发电产业正迅速兴起。为提高风力发电机叶片的捕风能力，轻质高强、耐久性好的玻璃纤维和碳纤维混杂复合材料结构成为目前大型风力发电机叶片的首选材料。尤其在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位应使用碳纤维不仅可提高叶片的承载能力，还可因碳纤维具有导电性而有效避免雷击对叶片造成的损伤。预计未来五年，风能发电的市场需求将以每年１５％一２０％的速度增长。风能发电成本相对低廉，已成为人类开发新能源的重要领域。美国能源信息管理部２００６年报告称，风力发电成本为０．０５５８美元／ｋＷ·ｈ，天然气发电成本为

０．０５２５美元／ｋＷ·ｈ，煤电为０．５３美元／ｋＷ·ｈ，核电为０．５９３美元／ｋＷ·ｈ。１９８０年风电成本为０．８美元／ｋＷ·ｈ；１９９１年降为０．１美元／ｋＷ·ｈ，可见风能发电具有显著的成本优势。

４国内外碳纤维产业现状及其发展趋势

４．１国际碳纤维产业的概况碳纤维的研发始于１９世纪６０年代，但未形成产业化。２０世纪５０年代初，随着空间技术的发展，发达国家开始重视碳纤维的研究，２０世纪

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