碳纖維，大家都經(jīng)常聽說起，即熟悉又陌生，它是一種高性能材料，既有碳材料硬的固有特性，又有紡織纖維柔的加工特性，被稱為材料之王。

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簡介

碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

大家常說的 “碳纖維” 實際上是碳纖維增強復(fù)合材料的簡稱。碳纖維增強復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer)，簡稱CFRP。碳纖維增強復(fù)合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強體，以樹脂、陶瓷、金屬、水泥、碳質(zhì)或橡膠等為基體所形成的復(fù)合材料。

碳纖維織物的不同排布方式

碳纖維增強復(fù)合材料的最基本構(gòu)成單元是碳絲(Carbon Fiber Filament)，碳絲的基本原材料是預(yù)聚物(Prepolymer) 聚丙烯腈(PAN) ，人造絲或石油瀝青。然后通過化學(xué)和機械方法使碳絲成為碳纖維織物，用于碳纖維制件。

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碳纖維分類

按照原料體系：碳纖維主要分為粘膠基、瀝青基和聚丙烯腈（PAN）基三大種類，其中PAN基碳纖維因其生產(chǎn)工藝簡單、成本較低、碳化吸收率較高、力學(xué)性能優(yōu)良等特點，是生產(chǎn)高性能碳纖維最有前途的前驅(qū)體，利用其制備的碳纖維綜合性能最好、生產(chǎn)工藝成熟簡單、應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最高、品種最多，是目前全球碳纖維市場的主流，產(chǎn)量占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。

按性能：碳纖維可分為通用型、高強型（GQ）、高強中模型（QZ）、高模型（GM）和高強高模型（QM）碳纖維。日本東麗公司由于其碳纖維領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，其產(chǎn)品代號成為業(yè)界通用指標，一般分為高強“T”系列和高?！癕”系列，數(shù)字越大對應(yīng)的性能等級越高，尾號帶字母的性能等級高于不帶字母的（如T300B性能大于T300）。

根據(jù)絲束大?。?/span>碳纖維可劃分為小絲束和大絲束，小絲束碳纖維初期以1K、3K、6K為主，逐漸發(fā)展為12K和24K，主要應(yīng)用于國防軍工等高科技領(lǐng)域，以及體育休閑用品，如飛機、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星和漁具、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等。通常將48K以上碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括48K、60K、80K等，主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，包括：紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機電、土木建筑、交通運輸和能源等。

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碳纖維特性

碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。

碳纖維兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工的兩大特性，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。

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碳纖維增強復(fù)合材料成型方法

碳纖維增強復(fù)合材料的成型方法有很多種：

1）手糊成型法

先在模具上涂刷含有固化劑的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的碳纖維預(yù)浸料，用刷子、壓輥或刮刀壓擠織物，使其均勻浸漬并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層碳纖維預(yù)浸料，反復(fù)上述過程直至達到所需厚度為止。然后，通過加熱抽真空才能固化（熱壓成型），最后脫模得到碳纖維復(fù)合制品。

在成型技術(shù)高度發(fā)達的今天，手糊工藝仍然具有工藝簡便、投資低廉、適用面廣的特點，在石油化工、儲存容器、貯槽、汽車殼體等諸多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。其缺點是質(zhì)地疏松、精度不高、表面粗糙、密度低，制品強度不高，并且主要依賴人工，質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率很低，難以批量化和標準化。

2）熱壓罐成型

熱壓罐是最早開發(fā)用于航空結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造的一種技術(shù)，目前還在繼續(xù)大量使用。特別是對一些大尺寸和形狀復(fù)雜的制件，采用整體化的共固化成型時，就要采用這種技術(shù)。

熱壓罐成型的工藝過程如下：

1.模具準備。模具要用軟質(zhì)材料輕輕擦拭干凈，并檢查是否漏氣。然后在模具上涂布脫模劑。

2.裁剪和鋪疊。按樣板裁剪帶有離型紙的碳纖維預(yù)浸料，剪切時必須注意纖維方向，然后將裁剪好的預(yù)浸料揭去保護膜，按規(guī)定次序和方向依次鋪疊，每鋪一層要用橡膠輥等工具將預(yù)浸料壓實，趕除空氣。

3.組合和裝袋，在模具上將預(yù)浸料坯料和各種輔助材料組合并裝袋，應(yīng)檢查真空袋和周邊密封是否良好。

4.熱壓固化，將真空袋系統(tǒng)組合到熱壓罐中，接好真空管路，關(guān)閉熱壓罐，然后按確定的工藝條件抽真空/加熱/加壓固化。

5.出罐脫模，固化完成后，待冷卻到室溫后，將真空袋系統(tǒng)移出熱壓罐，去除各種輔助材料，取出制件進行修整。

3）模壓成型

模壓成型工藝是復(fù)合材料生產(chǎn)中一種傳統(tǒng)常用的成型方法。它是由普通的塑料制品模壓成型演變而來的，是一種對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的碳纖維復(fù)合材料成型方法。模壓成型基本過程是：將一定量經(jīng)一定預(yù)處理的模壓料放入預(yù)熱的模具內(nèi)，施加較高的壓力使模壓料填充模腔。在一定的壓力和溫度下使模壓料固化，然后將制品從模具內(nèi)取出，再進行必要的輔助加工即得產(chǎn)品。

4）纖維纏繞成型

纖維纏繞是一種復(fù)合材料連續(xù)成型方法，基本方法是將浸過樹脂膠液的連續(xù)碳纖維帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化脫模成為復(fù)合材料制品。這種方法主要用來制造圓形管道、壓力罐、貯存罐等旋轉(zhuǎn)對稱形狀的產(chǎn)品。其特點是成型過程連續(xù)，一次性完成；制品形狀尺寸都能得到保證，在直徑方向的強度高。但需要專門的纏繞機器和輔助設(shè)備，生產(chǎn)成本較高。

5）RTM成型

RTM是利用低黏度樹脂在閉合模具中流動浸潤碳纖維材料并最后固化成型的一種技術(shù)，其成型過程是由樹脂和催化劑計量泵按配比輸出的帶壓液體在靜態(tài)混合器中混合均勻，并注入已合理鋪放好預(yù)成型增強體的閉合模中，模具需有周邊密封和緊固，并保證樹脂流動順暢，然后進行固化。

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碳纖維的應(yīng)用

碳纖維碳材料已在軍事及民用工業(yè)的各個領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。從航天、航空、汽車、電子、機械、化工、輕紡等民用工業(yè)到運動器材和休閑用品等。碳纖維增強的復(fù)合材料可以應(yīng)用于飛機制造等軍工領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電葉片等I業(yè)領(lǐng)域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等。

1）土木建筑

土木建筑領(lǐng)域:碳纖維也應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑物、鐵路公路橋梁、隧道、煙囪、塔結(jié)構(gòu)等的加固補強，在鐵路建筑中，大型的頂部系統(tǒng)和隔音墻在未來會有很好的應(yīng)用，這些也將是碳纖維很有前景的應(yīng)用方面。具有密度小，強度高，耐久性好，抗腐蝕能力強，可耐酸、 堿等化學(xué)品腐蝕，柔韌性佳，應(yīng)變能力強的特點。

2）航空航天

碳纖維是火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰(zhàn)略基礎(chǔ)材料。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)略導(dǎo)彈的彈體和發(fā)動機殼體上，可大大減輕重量，提高導(dǎo)彈的射程和突擊能力。

3）汽車材料

碳纖維在汽車內(nèi)外裝飾中大量采用。碳纖維作為汽車材料，最大的優(yōu)點就是質(zhì)量輕、強度大?？梢允蛊嚨妮p量化取得突破進展。

4）體育用品

碳纖維運用在球桿、釣魚竿、網(wǎng)球拍、自行車、滑雪杖、滑雪板、帆船桅桿、航海船體等運動用品中。

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行業(yè)內(nèi)主要企業(yè)

日本東麗（TORAY）

日本東麗成立于1926年，當(dāng)時主要生產(chǎn)粘膠人造絲。1971年切入碳纖維領(lǐng)域，是世界上第一家從事碳纖維生產(chǎn)的公司。

日本東邦（TOHO）

日本東邦成立于1934年6月，主要涉及碳纖維復(fù)合材料業(yè)務(wù)、紡織纖維業(yè)務(wù)，日本東邦于1975年開始量產(chǎn)聚丙烯腈系的碳纖維“TENAX”。

日本三菱麗陽（MITSUBISHI）

日本三菱麗陽株式會社1983年開始生產(chǎn)碳纖維。三菱麗陽集團同時擁有PAN基碳素纖維和瀝青基碳素纖維，以及以碳素纖維為基本原材料生產(chǎn)的中間材料和成型加工品。

美國赫克塞爾（HEXCEL）

美國赫氏公司擁有40年的碳纖維制造經(jīng)驗，是一個中模量碳纖維技術(shù)（小絲束）的領(lǐng)導(dǎo)者，能夠自主生產(chǎn)供應(yīng)聚丙烯腈（PAN），并專注于原絲和碳纖維的研發(fā)。

美國卓爾泰克（ZOLTEK）

作為世界領(lǐng)先的大絲束碳纖維生產(chǎn)廠家，美國卓爾泰克主要生產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料，多軸布，符合各種工程塑料用的短切碳纖維，預(yù)氧絲。

德國西格里（SGL）

德國西格里（SGL）是德國SIGRI股份有限公司和美國大湖碳素公司于1992年合并而成，德國西格里（SGL）是全球領(lǐng)先的碳素石墨材料及相關(guān)產(chǎn)品制造商之一，擁有從碳、石墨產(chǎn)品到碳纖維及碳碳復(fù)合材料在內(nèi)的完整生產(chǎn)線。

美國氰特（CYTEC）

美國氰特公司是世界領(lǐng)先的經(jīng)營特種化工及材料技術(shù)的公司之一，公司前身是美國氰胺公司化工部，1993年在紐約證券交易所上市，是一家特種化學(xué)品和特種材料的創(chuàng)新公司，在研究，開發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域居全球領(lǐng)先地位。

土耳其阿克薩（AKSA）

土耳其阿克薩（AKSA）是全球最大的腈綸制造商。該公司從1971年開始生產(chǎn)腈綸絲，于2008年下半年開始碳纖維試生產(chǎn)，并于2009年第3季度開始商業(yè)化生產(chǎn)。2012年，美國陶氏化學(xué)（DOW）與土耳其阿克薩（AKSA）組建合資公司DowAksa，專業(yè)生產(chǎn)碳纖維，并致力于下游制品的研發(fā)。

臺灣臺塑

臺灣塑膠工業(yè)股份有限公司成立于1954年，是臺灣最大的PVC粉生產(chǎn)商。

2000年，我國只有山東、吉林等地有極少數(shù)企業(yè)涉足碳纖維產(chǎn)品，年生產(chǎn)線規(guī)模僅為幾十噸。2005年后，隨著國家出臺相關(guān)扶持政策，碳纖維產(chǎn)業(yè)駛上發(fā)展快車道。

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