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只管碳纤维均是由质料纤维经高温碳化而成,但凭据根蒂根基质料差别能够分为三类:一是以聚丙烯腈(PAN)为质料高温碳化构成的碳纤维,为PAN基碳纤维;二是以沥青为质料高温碳化构成的碳纤维,为沥青基碳纤维。三是以粘胶纤维质料高温碳化构成的碳纤维,为粘胶基碳纤维。因为PAN基的碳纤维正在强度上要优于沥青基、粘胶基碳纤维,正在全球的碳纤维消费中占据90%的比例,具有绝对性的压服上风,因而以下所议论的碳纤维行业均是指PAN基碳纤维。
 
    碳纤维树脂复合材料抗拉强度一样平常皆正在3500Mpa以上,是钢的7-9倍,抗推弹性模量为23000-43000Mpa,亦下于钢。因而CFRP的比强度即质料的强度与其密度之比可到达2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)阁下,其比模量也比钢下。碳纤维现在被分别为宇航级(Aerospace-grade)和产业级(Commercial-grade)两类,亦称为小丝束(Small-strand tow或Small tow)和大丝束(Large-strand tow或Large tow)。一般把48K以上的碳纤维称为大丝束碳纤维,包孕60K、120K、360K和480K等。宇航级碳纤维早期以1K、3K、6K为主,逐步生长为12K和24K,重要应用于国防兵工和高技术和体育休闲用品,像飞机、导弹、火箭、卫星和垂纶杆、高尔夫球杆、网球拍等。产业级碳纤维应用于差别民用产业,包孕纺织、医药卫生、电机、土木修建、交通运输和能源等。特别是近年来产业级碳纤维渗出进入传统宇航级碳纤维的应用领域,最先正在体育休闲用品上得到一定程度的运用,预计这一趋势将进一步扩大生长
 
二、碳纤维手艺含量下
 
    当消费PAN基碳纤维的时刻,被称为“母体”的聚丙烯腈纤维起首要经由过程聚合和纺纱工艺加工聚丙烯腈而成。然后,将这些母体放入氧化炉中正在200-300摄氏度停止氧化。别的,还要正在碳化炉中,正在温度为1000-2000摄氏度间停止碳化制成碳纤维。
 
    只管碳纤维生产流程相对较短,但消费壁垒很下,个中碳纤维本丝的消费壁垒是难中之易,具体表现正在碳纤维本丝的喷丝工艺、聚丙烯腈聚合工艺、丙烯腈取溶剂及激发剂的配比等。现在天下碳纤维手艺重要把握正在日本的东丽公司、东邦Tenax集团和三菱人造丝集团手中,那3家企业手艺严厉保密,工艺难以外露,而其他碳纤维企业均是处于生长阶段,生产工艺正在探索中不断完善。我国碳纤维现阶段绝大部分依靠入口,但华皖碳纤维、少数科研院所及山东光威集团皆力图正在碳纤维消费方面得到打破。
 
    PAN本丝不只影响碳纤维的质量,并且影响其产量和生产成本。换言之,只要下质量的本丝才气消费出下机能碳纤维,才气稳固消费,进步产量,降低成本。关于当代碳纤维生产线,要求喂入丝束数正在100以上,且高速运转;若是本丝质量优良、相互机能差别较大,易正在生产过程中发生毛丝缠结,以至发作断丝,很易稳固消费,如许一定加大本丝的消耗。关于质量好的PAN本丝,用2.2kg阁下的本丝可生产出1kg碳纤维;而质量差的本丝,则需2.5kg,以至更高,那一定加大生产成本,而本丝本钱占碳纤维生产成本的50%-65%。以是,PAN本丝质量不只可阁下碳纤维的机能,并且也制约着碳纤维的生产成本和市场竞争才能。
 
    碳纤维是由有机PAN纤维经由一系列热处理转化而去的。碳纤维属于脆性质料,拉伸强度等机能受控于各种缺点。因而,正在肯定意义上讲,进步碳纤维的拉伸强度等机能就是接纳技术措施削减缺点数量、减小缺点尺寸的历程。碳纤维的缺点发生可大抵分为两类:一类是先天性缺点,由PAN本丝“遗传”给碳纤维;第二类是后天性缺点,正在预氧化、碳化等一系列后处置惩罚历程中发生。从缺点正在碳纤维中所处的位置,又可分为外面缺点和内部缺点两大类,个中外面缺点占缺点总数的90%阁下,对拉伸强度的影响要比内部缺点大很多。
 
 
 
三、碳纤维运用远景辽阔
 
    跟着航空航天范畴关于碳纤维需求泛起快速增长,风力发电等其他产业应用领域也泛起快速增长,从而使碳纤维的需求幅度增添,环球碳纤维市场正以均匀每一年两位数的速度快速增长。1985-2005年天下聚丙烯腈基碳纤维的需求量睹表1。估计2006年环球碳纤维需求量将到达2.5万吨/年,2010年则将到达3.2万吨/年,环球碳纤维的供应取需求将泛起重要局势。
 
一排挤客A380需耗用30吨碳纤维、一架波音787飞机需耗用20多吨碳纤维,跟着飞机制造业的快速生长,碳纤维正在航空航天范畴的运用显着增进。
 
    正在制造导弹历程中,若是将导弹发动机和弹体等局部外壳换成碳纤维复合材料,不只能减轻导弹的构造质量,借能提拔导弹的射程才能。另外,碳纤维手艺还能使导弹能蒙受5000摄氏度以上的高温。包管弹内辅佐体系正在高温下一般运转。
 
    碳纤维作为特大风力发电叶片的重要质料,需求也泛起显着增进。跟着发电单机功率的增大,要求叶片长度络续增添。对叶片来说,刚度也是一个十分重要的目标。始于上世纪末的相干研讨注解,碳纤维分解质料具有出众的抗委靡特性,当取树脂质料混淆时,则成为了风力机顺应卑劣天气前提的最好质料之一,碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的2-3倍。因而,环球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量掌握等各方面深切研讨,以求降低成本。VESTAS的V-90型风力机容量为3.0MW,叶片少44m,其样品实验接纳了碳纤维制造;GAMESA正在其直径为87米、90米叶轮的叶片制造中包罗了碳纤维;NEG Micon正在制造碳纤维加强环氧树脂的40米叶片。那3家公司的碳纤维皆采购自St.Louis-based Zoltek公司。德国叶片制造厂家Nordex Rotor开辟了56m少的碳纤维叶片,他们以为叶片凌驾肯定尺寸后,碳纤维叶片的建造本钱并不比玻纤的下。
 
    碳纤维有耐腐蚀性,因而能够普遍应用于内地钻井平台的构件,好比围栏等,并且能够减轻质量,便于现场安装,是碳纤维将来的伟大市场。
 
    碳纤维正在汽车范畴能够替换钢材,制造CNG瓶、保险杆、底盘等汽车配件,使汽车质量低落40%以上,从而节约燃油7%,相符有用节能的将来生长上风。
 
    正在高速公路尤其是西部山区高速公路建设中,下路堤的设想施工一向存在边坡稳固和竖向沉降两个题目。根据传统施工,工程常接纳增大放坡比例或制作挡土墙的设施,但前者一定占用大量的地皮和增添填方工作量,后者又一定大大进步工程造价。京珠高速湖南段临长高速公路平江县境内有一路段均匀填土高度达7.4米,加上地质前提差,易留下路基不均匀、致使沉降等安全隐患。针对该工程的难点,课题主要负责人、湖南大学土木工程学院院长尚守仄传授接纳当代加筋土手艺供应一个经济简约的施工计划。课题组勇敢接纳碳纤维加强质料应用于加筋土工程,给高速公路“强筋健体”,各项数据皆注解该结果正在实验路段运用胜利。据课题审定组组长王永和传授引见,湖大专家初次将碳纤维加强质料应用于下路堤建立,不只雄厚了我国加筋土构造中筋材的范例,并且将这项新技术推行到西部高山丘陵区的公路建设中,发生了明显的经济效益。
 
    江苏远东集团和美国一家高科技公司联合开发的新型碳纤维复合芯导线获得成功。取传统钢芯铝绞线比拟,碳纤维复合芯导线具有质量沉、强度大、耐高温、耐侵蚀、线损低、弛度小、取情况亲和等长处,可进步传输容量1倍,削减20%杆塔数,削减有色金属斲丧,低落传输消耗。该技术推广将有利于我国组织平安、环保、高效勤俭型输电网络。
 
    四、碳纤维市场供给形势
 
    跟着国际碳纤维的市场快速增长,日本的东丽公司、东邦Tenax集团和三菱人造丝集团等碳纤维消费巨子纷纭正在2004年阁下最先扩产,但因为碳纤维消费装配从设想、安装、试车到发生成品需求2-3年的工夫,预计到2007年今后才气有产能扩大,因而正在2008年之前国际碳纤维的供应仍旧重要。正在2008年以后,碳纤维无望正在海上钻井平台、汽车等其他产业范畴得到主动拓展,碳纤维市场需求潜力仍旧非常伟大。
 
    因为碳纤维已往重要运用正在兵工行业,因而一向是对华禁运物质,近年来跟着碳纤维背民用产业转移,国际社会碳纤维的制造手艺取产物对华出口有所松动,通用级碳纤维入口渠道已开通,但下机能碳纤维对我国仍然限定,通用级碳纤维成套手艺出口尚须出口国当局特批。日本政府划定,若是从日本出口此类产品,必需申请允许,入口者一方借必需提出“誓约书”,确认碳纤维没有转用于军事用处。
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