材料之王——碳纖維

東南西北

碳纖維——是由有機(jī)母體纖維（例如粘膠絲,、聚丙烯腈或?yàn)r青）采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下制成的,。其結(jié)果是除碳以外的所有元素都予以去除。碳纖維呈黑色,，堅硬,，具有強(qiáng)度高、重量輕等特點(diǎn),，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料,，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上,，是鋼的7~9倍,，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上,，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右,，其比模量也比鋼高,。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小,，比模量愈高,，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景,，綜觀多種新興的復(fù)合材料(如高分子復(fù)合材料,、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料)的優(yōu)異性能,， 不少人預(yù)料,，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時代進(jìn)入到一個復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的時代。
　  碳纖維的用途主要是利用其"輕而強(qiáng)"和"輕而硬"的力學(xué)特性,，廣泛應(yīng)用于航空,、航天、軍工,、體育休閑等結(jié)構(gòu)材料,；利用其尺寸穩(wěn)定性，應(yīng)用于宇宙機(jī)械,、電波望遠(yuǎn)鏡和各種成型品,；利用其耐疲勞性，應(yīng)用于直升飛機(jī)的葉片,；利用其振動衰減性,，應(yīng)用于音響器材；利用其耐高溫性,，應(yīng)用于飛機(jī)剎車片和絕熱材料,；利用其耐藥品性，應(yīng)用于密封填料和濾材,；利用其電氣特性,，應(yīng)用于電極材料、電磁波屏蔽材料,、防靜電材料,；利用其生體適應(yīng)性，應(yīng)用于人工骨,、韌帶,；利用其 X-光透過性，應(yīng)用于 X-光床板等,。
　　此外,，還可以活化成活性碳纖維，應(yīng)用于各種吸附領(lǐng)域。具體應(yīng)用例如：①釣魚桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬只,，年碳纖維用量1200t,；②高爾夫球桿隨著輕量化和長尺寸化的要求，現(xiàn)已占碳纖維體育用品用途的50％,，年碳纖維用量為2000t,；③網(wǎng)球拍的年市場規(guī)模約為450萬只，年碳纖維用量約500t,；④飛機(jī)方面,，小型商務(wù)機(jī)和直升飛機(jī)的復(fù)合材料用量已占70％一80％，軍用機(jī)30％一40％,，大型客機(jī)15％一20％,；⑥人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線要用高模碳纖維,，先進(jìn)的運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈殼體,、發(fā)射筒等要用800H和 T300碳纖維等；⑥土木建筑領(lǐng)域,，已用于補(bǔ)修加工用片材,、建筑部件、代鋼筋材料,、屋頂構(gòu)架材料等,；⑦能源領(lǐng)域，已用于汽車的壓縮天然氣罐和風(fēng)車葉片(長達(dá)30-40m),、海底油田管道,、升降機(jī)等；⑧交通運(yùn)輸方面,，已應(yīng)用于賽車,、汽車傳動軸、大型卡車車體等,；⑨電子電器領(lǐng)域,，已應(yīng)用于增強(qiáng)熱塑性樹脂的擠出成型品，如抗靜電 IC盤,、筆記本電腦的筐體,，具有電磁波屏蔽效果,；⑩其它,，還有X-射線盒、醫(yī)用床板,、印刷,、制膜、造紙等用的各種滾軸、空氣或氧氣呼吸用壓力容器等等,。
8 S3 u: }% g9 p6 d9 k    碳纖維產(chǎn)業(yè)是由原絲（PAN）生產(chǎn)再到預(yù)浸料再到具體的終端產(chǎn)家這么一個產(chǎn)業(yè)鏈,。目前, 原絲的售價是40元～50元/公斤,碳纖維為200元/公斤,預(yù)浸料為500元/公斤,每一級的深加工都有高幅度的增值。
: _2 M# x4 D  F　　我國碳纖維的生產(chǎn)和使用尚處于起步階段, 國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)能力僅占世界高性能碳纖維總產(chǎn)量的0.4％左右,國內(nèi)用量的90％以上靠進(jìn)口,。而PAN 原絲質(zhì)量一直是制約我國碳纖維工業(yè)規(guī)�,；�生產(chǎn)的瓶頸。另外,碳纖維長期以來被視為戰(zhàn)略物資,發(fā)達(dá)國家一直對外實(shí)行封鎖,。因此,有關(guān)專家認(rèn)為,強(qiáng)化基礎(chǔ)研究是創(chuàng)新之本, 是發(fā)展國內(nèi)碳纖維工業(yè)的根本出路,。
- P/ F, C. @  r' I    美國聯(lián)合碳化物公司（UCC）于1959年開始最早生產(chǎn)粘膠基碳纖維，五六十年代是粘膠基碳纖維的鼎盛時期,，雖然時期已開始衰退,，但是它作為耐燒蝕材料至今仍占有一席之地。1959年,，日本研究人員發(fā)明了用聚丙烯腈（PAN）原絲制造碳纖維的新方法,。在此基礎(chǔ)上，英國皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纖維的技術(shù)流程,，使其發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨�,，PAN基碳纖維成為當(dāng)前碳纖維工業(yè)的主流，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的90%左右,。1974年,，美國聯(lián)合碳化物公司開媽了高性能中間相瀝青基碳纖維Thornel-35的研制，并取得成功,。目前Thornel-P系列高性能瀝青碳纖維仍是最好的產(chǎn)品,，這樣就形成了PAN基、瀝青基和粘膠基碳纖維的三大原料體系,。 　　
    世界碳纖維的主要生產(chǎn)商為日本的東麗,、東邦人造絲、三菱人造絲三大集團(tuán)和美國的卓爾泰克（ZOLTEK）,、阿克蘇（AKZO）,、阿爾迪拉（ALDILI）和德車的SGL公司等。其中日本三大集團(tuán)占世界生產(chǎn)能力的75%,。世界CT型碳纖維總生產(chǎn)能力為22100噸/年,，LT型碳纖維總生產(chǎn)能力為9550噸/年；實(shí)際生產(chǎn)量約為7000噸/年,。 　
& n8 Y& \8 ~( l2 t  V. i, V  　在20世紀(jì)90年代中期以前,，軍事工業(yè),、航天與航空工業(yè)與體育休閑業(yè)一直是CT型碳纖維的主要市場,。自1996年美國成功地將LT型碳纖維工為化以后,，CT型碳纖維與LT型碳纖維競爭十分激烈。 　　
    當(dāng)前世界上PAN基炭纖維正處于迅速增長的發(fā)展期：產(chǎn)品性能趨向于高性能化,，T700S加快取代T300作通用級炭纖維,；產(chǎn)量增加較快,，1996~2000增長48.1%,；航天航空和體育用品用量增加穩(wěn)定，民用工業(yè)用量增幅較大,，已超過前兩者,，特別是隨著大絲束炭纖維的大規(guī)模生產(chǎn)，價格的降低,，民用工業(yè)需求增加迅猛,。
    目前，國內(nèi)研究開發(fā)以及生產(chǎn)碳纖維的呼聲很高,，發(fā)展趨勢令人鼓舞,。下面分別對各地區(qū)的開發(fā)情況作一簡介。
( |6 p9 k! K0 f6 q; F( V3 ~. T　　(1)上海地區(qū),。最近上海石化公司召開了碳纖維原絲發(fā)展研討會,， 該公司準(zhǔn)備投資過億元，采用NaSCN一步法生產(chǎn)數(shù)千噸PAN基原絲,，真正形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn),。上海星樓實(shí)業(yè)有限公司也制定了一套碳纖維產(chǎn)業(yè)化發(fā)展計劃，擬建立400t／a 大絲束碳纖維生產(chǎn)線,，總投資也超億元(包括下游產(chǎn)品),。此外，上海市合纖所采用亞砜兩步法研制和小批量生產(chǎn)PAN基原絲以及碳纖維,； 上海碳素廠也有小型碳化線及碳纖維下游產(chǎn)品,。
; g' H6 b7 g* _    (2)安徽地區(qū)�,！笆�五”期間,，國家已批準(zhǔn)在安徽蚌埠建立500t／aPAN 原絲和200t／a碳纖維生產(chǎn)線，總投資過億元,。PAN原絲采用亞砜一步法,，技術(shù)由國外引進(jìn)； 產(chǎn)品以12K的T300級碳纖維為主,，并準(zhǔn)備引進(jìn)成熟的預(yù)浸料生產(chǎn)線,。華皖集團(tuán)(原蚌埠燈芯絨集團(tuán)公司)二期建設(shè)規(guī)模將使碳纖維產(chǎn)量翻一番，達(dá)到400t／a,。下游產(chǎn)品的開發(fā)也列入發(fā)展規(guī)劃,。
    (3)浙江地區(qū)。中寶碳纖維責(zé)任有限公司在浙江嘉興擬建400t／a大絲束碳纖維生產(chǎn)線,，技術(shù)和設(shè)備引進(jìn),，投資數(shù)億元，并配套300萬m2預(yù)浸料,。 該項目國家已批準(zhǔn),，并積極開展了前期論證和考查工作。根據(jù)國內(nèi)外市場動向及投資與回報等問題,，暫緩建立碳纖維生產(chǎn)線,，而集中力量開發(fā)預(yù)浸料等下游產(chǎn)品。同時,，還成立了浙江省碳纖維工程技術(shù)研究開發(fā)中心,，全面推進(jìn)碳纖維事業(yè)。
' ~7 z, U5 ~) P4 }# d& q    (4)廣西地區(qū),。桂林市化纖總廠擬建200t／a碳纖維生產(chǎn)線,，產(chǎn)品為3—12K的小絲束碳纖維，投資也過億元,。
　　(5)山東地區(qū),。山東省已把碳纖維列入全省十大高技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)工程首位項目。有以下幾個單位從事碳纖維及其制品的研究與生產(chǎn),，或準(zhǔn)備介入碳纖維事業(yè),。
8 T) K* w# M1 W1 p, ]　　●山東天泰碳纖維有限責(zé)任公司。作為國家計委示范工程將建立400t/a生產(chǎn)線,，碳纖維性能為T300級水平,，產(chǎn)品以12K 為主。 計劃 400t/a 投產(chǎn)后,， 再翻一番到800t/a,，投資超億元。技術(shù)協(xié)作單位是山東工業(yè)大學(xué)等,。同時該公司積極開發(fā)和生產(chǎn)多種下游產(chǎn)品,。
　　●青島將建立50t/a左右的碳纖維生產(chǎn)線， 青島化工學(xué)院高分子工程材料研究所(恒晨公司)的介入,，引起國內(nèi)同行們的極大關(guān)注,。
. \  ?4 d8 U. I    ●山東威海光威漁具集團(tuán)有限公司主要從事釣竿生產(chǎn)，碳纖維預(yù)浸布的規(guī)格有30余種,。根據(jù)發(fā)展趨勢,，有可能向上游即PAN基原絲和碳纖維發(fā)展。此外,， 山東省東營生產(chǎn)力促進(jìn)中心也在考慮招商引資建立碳纖維生產(chǎn)線,，認(rèn)為石油等工業(yè)是碳纖維的潛在市場。
　　(6)北京化工大學(xué)與吉化公司樹脂廠,， 將依靠自己的技術(shù)建立 500t/a 原絲和200t/a碳纖維生產(chǎn)線,。放棄硝酸法,，采用亞砜一步法技術(shù)路線生產(chǎn)原絲。目前,，正在進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn),。
　　(7)蘭化集團(tuán)化纖廠已有100t/a原絲生產(chǎn)線和預(yù)氧化生產(chǎn)裝置， 計劃配套碳化裝置生產(chǎn)碳纖維,。原絲采用NaSCN一步法,。 該單位的晴綸生產(chǎn)線是我國從國外首次引進(jìn)的，有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累,。
　　(8)吉林碳素廠是我國小絲束碳纖維生產(chǎn)基地,，已向用戶提供50 余噸小絲束碳纖維，為國家作出了積極貢獻(xiàn),。目前,，該廠正在建立新的小絲束碳纖維生產(chǎn)線，擴(kuò)大產(chǎn)量,，以滿足市場需求,。
5 s! E" n8 z6 e# K5 z1 S0 R; |) h　　(9)中科院山西煤化所研制碳纖維已有30多年歷史。在70年代中期,， 建成我國第一條纖維中試生產(chǎn)線,；在90年代末期，又建成我國第一條噸級粘膠基碳纖維生產(chǎn)線,。目前該所與揚(yáng)州聚酯責(zé)任有限公司共建碳材料聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,，研制高性能PAN 基碳纖維，并準(zhǔn)備在揚(yáng)州建立產(chǎn)業(yè)化基地,。此外,，山西榆次化纖廠是我國唯一用亞砜一步法生產(chǎn)PAN基原絲達(dá)數(shù)十年的單位，目前仍在生產(chǎn),。
　　從以上信息可以看出,，當(dāng)前發(fā)展態(tài)勢有以下幾個特點(diǎn)：①投入力度大；②規(guī)模大,；③參與單位多,，特別是大企業(yè)的參與；④起點(diǎn)高,，采用多項新技術(shù),、新工藝；⑤自動化程度高,，工控,、程控在線配套使用；⑥逐步建立起質(zhì)量控制和質(zhì)量檢測方法,，特別是在線檢測,。
: v, s1 D9 |/ v+ N; Z    三,、重視基礎(chǔ)研究，建立自己的知識產(chǎn)權(quán)
. p+ ?7 F7 ]9 C　　當(dāng)前,，除極個別單位外,，大多數(shù)準(zhǔn)備引進(jìn)項目的技術(shù)和設(shè)備水平屬國際中下等，產(chǎn)品碳纖維也是這個檔次,，引進(jìn)后的消化、吸收與創(chuàng)新是面臨的重大課題,。因此,，在引進(jìn)的同時應(yīng)該組織自己的技術(shù)隊伍，在消化吸收的基礎(chǔ)上求創(chuàng)新,。如果只是沿著別人的腳印前進(jìn),，就永遠(yuǎn)是跟在別人后面，不會占據(jù)制高點(diǎn),。從大量國外資料可以清楚地看出,，即使他們生產(chǎn)的碳纖維質(zhì)量和產(chǎn)量占據(jù)世界榜首，但其新思維,、新方法,、新設(shè)備、新成果仍不斷涌現(xiàn),，而不是墨守成規(guī),。日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲公司的小絲束碳纖維產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的74％左右(表1),，而這3個公司發(fā)表的專利也相當(dāng)多,。例如：東麗公司目前生產(chǎn)的碳纖維T1000，抗拉強(qiáng)度最高 ( 7.02GPa),、單絲直徑最細(xì)(5.3um),，可代表世界先進(jìn)水平，但公司最新專利報道,，其實(shí)驗(yàn)室已研制出新一代碳纖維,，抗拉強(qiáng)度已達(dá)到9.03GPa，比T1000提高了28.6％,；單絲直徑降到3.2um,，比T1000細(xì)了39.6％。同時,，該公司還開發(fā)截面形狀為三葉形的PAN原絲及碳纖維,，以拓寬其用途。
　　基礎(chǔ)研究是創(chuàng)新之源,，已引起各級領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)單位的重視,，上下認(rèn)識一致,，有的已開始實(shí)施，這是提高我國碳纖維工業(yè)技術(shù)水平的關(guān)鍵之一,。目前國家“863 計劃”以及有關(guān)部委都在關(guān)心我國碳纖維工業(yè)的發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化步伐,，并給予強(qiáng)有力的支持。許多材料專家也扎扎實(shí)實(shí)的做了許多工作,。無疑,，“十五”將是我國碳纖維工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的黃金時代。
; n1 C+ W+ R1 `    為了充實(shí)G大元的資產(chǎn)質(zhì)量,，大股東大連實(shí)德將旗下的中寶碳纖維公司部分股權(quán)以8.6折出售給上市公司,。在此之前，G大元所持中寶碳纖維公司49%股權(quán)是全價受讓所得,。
　　5月10日,，G大元和大連實(shí)德下屬的北京實(shí)德簽署受讓中寶碳纖維公司17.74%股權(quán)協(xié)議，受讓金額約為984萬元,。相對中寶碳纖維公司的股本,，等于說G大元是以8.6折價格受讓這部分股權(quán)的。在此次受讓之前,，G大元已經(jīng)持有中寶碳纖維公司49%股權(quán),，但那是股權(quán)分置改革前全價受讓所得。
　　G大元的公告說,，此次重大資產(chǎn)購買的目的,，是為了優(yōu)化公司主營業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)核心競爭力和持續(xù)經(jīng)營能力,，改善公司的資產(chǎn)狀況,、提高盈利能力，以實(shí)現(xiàn)公司價值的最大化,，從根本上保證長期健康發(fā)展,，最大限度地保證廣大中小投資者的利益。
　　中寶碳纖維公司于2004年1月正式投產(chǎn),，當(dāng)年實(shí)現(xiàn)主營業(yè)務(wù)收入3010萬元,，2005年實(shí)現(xiàn)主營業(yè)務(wù)收入6600萬元，凈利潤444萬元,。
5 O9 m% ~" r' g7 ^    碳纖維的發(fā)展在20世紀(jì)80年代表現(xiàn)為碳纖維的性能不斷提高,，新品種的不斷問世；到了20世紀(jì)90年代,，碳纖維的性能沒有多大發(fā)展,，市場需求主要是成本的降低，表現(xiàn)在商用大絲束的發(fā)展和碳纖維復(fù)合材料在建筑,，交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的擴(kuò)大應(yīng)用,。
7 m( J9 s  O/ y    ⑴產(chǎn)品性能不斷提高
) p# ^4 j0 Q+ f6 _    老品種性能不斷提高,，以日本東麗公司T300為例：T300在20世紀(jì)70年代初的拉伸強(qiáng)度為2450MPa；到20世紀(jì)80年代初,，拉伸強(qiáng)度提高到2940～3140MPa,；在20世紀(jì)80年底中期拉伸強(qiáng)度為3300～3430MPa；從1988年起,，拉伸強(qiáng)度穩(wěn)定在3530MPa上下,。
    象東麗公司T300這樣的標(biāo)準(zhǔn)模量級的高強(qiáng)度碳纖維占世界高性能碳纖維的90％；類似的品種還有Amoco的ThornelT300,Hercules的AS4和BASF的CelionG30~500等,，其性能為拉伸模量為207～235GPa,，拉伸強(qiáng)度3450～3800MPa.
    ⑵中模高強(qiáng)型碳纖維的開發(fā)復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于增強(qiáng)碳纖維的力學(xué)性能。因此,，提高纖維的性能對改善復(fù)合材料的性能起著關(guān)鍵的作用,。對航空工業(yè)中廣泛使用的碳纖維,，提高其性能尤為重要,。事實(shí)上，隨著飛機(jī)性能的提高以及復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用部位的擴(kuò)大,，復(fù)合材料的設(shè)計師很快發(fā)現(xiàn)典型的T-300一級碳纖維的性能偏低（主要表現(xiàn)在拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變偏低）,，不能滿足新的設(shè)計思想對減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高飛機(jī)性能,，降低成本,，節(jié)省能源等方面的要求，尤其是對機(jī)翼,，機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)更是如此,，因此開發(fā)性能優(yōu)于T300的中模量高強(qiáng)度的碳纖維就顯得極為重要。
    ⑶高強(qiáng)高模MJ系列碳纖維
    1989年東麗公司在原高模量碳纖維M系列的基礎(chǔ)上,，開發(fā)了相應(yīng)的高強(qiáng)高模MJ系列碳纖維新產(chǎn)品,，使高模量碳纖維的強(qiáng)度得到較大的提高。開發(fā)使基于碳纖維微晶取向的最佳化從而得到高模量,，使纖維缺陷降到最少得到高強(qiáng)度,。
    ⑷高模量瀝青基碳纖維
    在開發(fā)高模量碳纖維過程中，要達(dá)到同樣的模量,，PAN基要比瀝青基的處理溫度高數(shù)百度,。美國聯(lián)碳公司開發(fā)的瀝青基P系列碳纖維，碳纖維的模量已接近理論模量,。

tlljch

中國的碳纖維研制遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于日本,，著急a,！據(jù)報道日本東麗公司2008年的利潤是中國全部化纖利潤總和，2008年中國化纖總產(chǎn)量2500萬噸,。這就是差距!中國大飛機(jī)項目沒有碳纖維很難搞成功,。

allen007

學(xué)習(xí)了     不錯啊

airraptor

貌似用在筆記本殼上不錯，兼有塑料的低成本和鋁鎂合金的強(qiáng)度

raymond.guan

以美國為首的對中國碳纖維封鎖,，,，，,，,，

wuzhn

學(xué)習(xí)了，謝謝�,。,。�

湯學(xué)紅

啊?醬紫�,�,！

asdcp

中國在材料的研發(fā)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后西方國家

xyk314

是啊，聽說做出來的質(zhì)量也比發(fā)達(dá)國家的差,，沒辦法

hisun_cth

俺的羽毛球拍子就是碳纖維的,！日本的！