碳纤维简介及其应用

碳纤维材料对生活的影响

碳纤维简介

碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构，在沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维具有强度高、重量轻等特点，是一种力学性能优异且具有诸多特殊功能的新材料。由于碳纤维及其复合材料优异的综合性能及高附加值，被人们称作是二十一世纪的“黑色黄金”，被列入国家“十三五”规划，作为国家重点发展的战略新兴产业。

二十世纪四、五十年代，美国人首次通过牵引人造丝的方法，制备得到了碳纤维符合材料(CFRP)。此后美国人在该技术方面领跑世界近20年。1969年，日本东丽公司研制成功高比强度和高比模量的碳纤维。目前，以日本东丽、东邦和三菱人造丝三家日本公司的碳纤维材料产量占据世界70%以上的高性能碳纤维生产份额。

我国的碳纤维产业发展和国外存在着较大差距，无论是碳纤维的生产和下游的应用。以碳纤维为例，2017年，全球碳纤维理论产能为147,100吨，而中国为2,6000吨。差距已经较大，但在实际产量上，差距就更明显。2016年全球碳纤维产量在84000吨左右，约为产能的60%，但中国的实际产量7400吨（有说5400），不到产能的30%（中国碳纤维2017年需求约24800吨，自给率30%）。同时国外如东丽可以批量生产T300、T700、T800、T1000、M40、M55、M60等级别的碳纤维，而国内T300、T700可以满足一定的需求，其他级别产品在市场上还没形成规模化供应。

碳纤维的发展

目前的碳纤维制备技术已经能制备出比强度比钢高十几倍，密度是一般金属的0.5 倍左右，疲劳极限是拉伸强度的70%~80%，在400摄氏度的高温下强度和弹性模量无变化，易于大面积整体成型。

由于国外碳纤维材料发展较早，除了应用于宇航、航空之外，在汽车、船舶、建筑、车辆、化工设备乃至文娱体育用品都得到了充分的应用。我国的碳纤维材料在20世纪90年代开始发展，起步虽然较晚，但到目前中国已在碳纤维行业取得了不小的进展，碳纤维材料广泛应用于航天航空，军事工业及民用产品等。

碳纤维及其复合材料的应用

碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料,由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。最神奇的应用是采用长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实,

太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上,也可以用这种“纳米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射成本。总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面:

(1) 宇航工业用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层;卫

星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件;航天飞机机头,机翼前缘和舱门等制件;哈勃太空望远镜的测量构架,太阳能电池板和无线电天线。

(2) 航空工业用作主承力结构材料,如主翼、尾翼和机体;次承力构件,如方向

舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等,此外还有c/c刹车片。

(3) 交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件;船舶和海洋工程

用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇巡逻艇,以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆;海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。

(4) 运动器材用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球

杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。

(5) 土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水

轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。

(6) 其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐;催化剂，吸附剂和密封制品等。

生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。

碳纤维以其固有的特性赋予了其复合材料优异的性能,它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优 异性能,从而为其在电线电缆行业中的应用提供了可能和必然。

碳纤维加热电缆的开发和应用 (1) 低温辐射发热电缆地板采暖系统。

(2) 恒温育雏箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保温,采暖。

(3) 道路化雪、机场跑道化雪:用于混凝土结构中楼面加热的理想产品，也可

以用在融雪装置中,对屋面雨水和排水管进行防霜，还可以用于土壤加热。 (4) 管道、罐体保温防冻:电伴热产品近几年在中国得到了大力的推广和广泛

的应用。其应用领域主要集中在石油、化工、电力、铁路和民用或商业建筑等。随着中国电力工业的发展,以清洁、无二次污染的电能为主要能源的电伴热产品市场前景非常广阔，同时，也为电伴热产品的性能提出了更高的要求。

(5) 足球场草坪、公共绿地土壤保温:太阳能热水器电能补充加热器,主要用

于在长期阴雨天或寒冬季节，因光照不足而导致太阳能热水器水温不能满足生活、工程需要时,为补充热能而设计的。它具有较强的耐酷暑、严寒和高温潮湿环境的性能,并具有防干烧的功能。即使偶尔水箱缺水误:通电，也不至于烧坏电加热器和水箱，故能确保安全使用。

碳纤维复合材料（CFRP）是国务院政府工作报告部署的“中国制造2025”发展规划中需着重解决的“量大面广的先进基础材料”和“制约制造业发展的关键

战略材料”，其上下游产业链对重构我国新材料产业体系极为重要。在航空航天、轨道交通、船舶车辆、桥梁建筑、电动工具、体育运动器材、风力发电机以及计算机、通信、消费电子产品等“3C信息家电”诸多领域受到极大关注，对国民经济的发展壮大产生举足轻重的影响。碳纤维是新材料皇冠上的一刻明珠，是国家定性的先进战略性材料。

但碳纤维本身是一种结构性材料，这个特性就类似于钢铁，无论天上飞的、地上跑的、水里游的，各行各业，都可以用到碳纤维，所以随着碳纤维成本的下降，以及应用水平的进一步成熟，碳纤维将广泛应用于民用，迎来其应用的爆发性增长。