碳纤维的发展及其应用现状

赵碎彬+鲁盈

摘 要：目前，碳纤维工业化产品主要包括PAN基和沥青基，世界上消费高性能碳纤维主要是美国，而生产高性能碳纤维主要是日本，碳纤维已广泛应用于各行各业中。碳纤维大多应用于复合材料的生产，且广泛应用于各行各业。论文主要分析了国内外碳纤维发展现状，着重介绍了碳纤维在宇航、体育用品领域、工业领域、交通运输领域及土木建筑领域的应用。

关键词：碳纤维;复合材料;领域;应用

收稿日期：2015-09-17

一、碳纤维的发展现状研究

1.国外发展现状

1959年日本进藤博士采用PAN奥纶为原材料研究开发基碳纤维，日本大谷教授利用煤焦、石油炼制过程中的副产品（沥青）研究成功开发了沥青基碳纤维。

1965年，粘胶纤维基碳纤维是由美国的UCC公司开发成功的，主要材料是粘胶纤维。于20世纪70年代初就开始生产碳纤维，主要应用于火箭喷嘴，其能有效防止热气流传。1971年至1983年，日本东邦人造丝公司、东丽公司等对碳纤维研究比较早，在此期间已经能进行大批量的生产，主要用于体育器具，欧美则用于航空和航天工业。

1980年前，波音公司首次将碳纤维使用在757飞机上，1985年-1990年，欧美主要对复合材料产品性能和深加工技术进行了研究。

国外利用电磁辐射等离子技术由碳纤维原丝来生产碳纤维;并把纳米技术应用于碳纤维上，研制出纳米碳纤维，超高模量的沥青碳纤维长丝发展迅速。

2.国内发展状况

20世纪70年代中期，我国开始研究碳纤维，经过多年的发展，碳纤维在研发领域上取得了很大的成就，但总的来说，国内碳纤维的研制与生产水平还较低。

吉林省长春应用化学研究所于1960年代初，开始对PAN基碳纤维进行研究，并先后完成了连续化中试装置。上海合成纤维研究所等单位也开始研究，于1980年通过了中试。总之，我国在碳纤维领域的研究方面起步晚、发展也缓慢。

二、碳纤维的应用状况研究

1.宇航领域

碳纤维重量很轻，但其尺寸稳定性，刚性和导热性能均很好，最初的高模量碳纤维广泛在人造卫星技术当中使用。在宇航上的碳纤维应用主要包括火箭发动机喷管和壳体。2002年，碳纤维的需求量在宇航领域中大约是4000t，其应用分布：北美为2500t，高达62.5%;欧洲和亚洲分别为1260t和240t，分别占26.1%和4.2%。

2.土木建筑领域

随着碳纤维生产成本不断地在降低，加之复合材料加工技术不断高速发展，碳纤维复合材料在土木建筑领域的应用市场越来越大。

3.工业领域

近年来碳纤维在宇航工业领域中应用相对萎缩，与体育休闲用品和航天航空领域相比，碳纤维应用于工业领域的需求不断上升。随着复合材料辊子、基础设施、油气开采等应用研发的不断成功，从而进一步促进了碳纤维的发展。

4.交通运输领域

新一代的汽车要求降能、降耗，减轻汽车重量是最为重要的方法，因此采用复合材料是最有效的解决办法。碳纤维在一辆小汽车的用量约113kg，按照这个计算，那么碳纤维在世界上的汽车领域将超过现有碳纤维生产总量的100倍。因此采用碳纤维复合材料作为汽车材料，具有广阔的前景。

5.能源领域

高性能碳纤维的电阻率一般在10-3～10-2?·cm之间，因此，由于电阻率很低，广泛应用于新能源和电化学领域。与原碳材料电极比较，高性能碳纤维具有体积小、质轻、传导性能高等优点。用高性能碳纤维纸制作质子交换膜——燃料电池的气体扩散层电极材料，已获得电池制造商的认同，得到了快速发展。

6.体育休闲领域

2002年，碳纤维用量在全球的休闲体育用品使用了4990t，其中3100t消耗在亚洲国家，大概占据全球的62.2%;其次碳纤维用量在北美消耗1120t，占全球消耗总量的22.4%;欧洲国家消耗770t，占全球总量的15.4%。亚洲等国家正大力发展复合材料。

碳纤维复合材料在技术、工艺等领域取得了长足的进展，应用范围也不断扩展，主要集中在航空航天、军事领域、工业应用领域、土木工程、交通运输、压力容器、石油开采、纺织机械等领域。因此，大力研发碳纤维及其复合材料，可带来长期、稳定的投资收益。

参考文献：

[1]郭敏怡.我国高性能碳纤维产业发展现状与展望[J].军民两用技术与产品，2012，（2）.

[2]罗益锋，罗 晰.改变中的全球碳纤维产业格局[J].新材料产业， 2012，（2）.