浅论我国碳纤维的现状与发展趋势

[摘 要]本文论述了什么是碳纤维以及碳纤维的用途。简述了碳纤维的发展史，重点论述了聚丙烯腈基碳纤维国内国外的现况。以及未来聚丙烯腈基碳纤维发展前景。

[关键词]碳纤维 现状 发展趋势

中图分类号：R220 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0181-01

一、碳纤维简介和碳纤维的用途

碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维具有十分优异的力学性能，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维。特别是在2000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质。是其他主要结构材料、金属及其合金所无法比拟的。除了优异的力学性能外，碳纤维还兼具其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高、非磁体但有电磁屏蔽性等。

作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工，是先进复合材料最重要的增强材料，已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用。从航天、航空、汽车、电子、 机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。

二、我国碳纤维发展历史

我国自20世纪60年代开始碳纤维研究开发至今已有近50年的历史，但进展缓慢，同时由于发达国家对我国几十年的技术封锁，至今没能实现大规模工业化生产，工业及民用领域的需求长期依赖进口，严重影响了我国高技术的发展，尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展，与我国的经济社会发展进程极不相称。所以，研制生产高性能、高质量的碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，扭转大量进口的局面，是当前我国碳纤维工业发展的迫切任务。

三、碳纤维生产方法

目前，工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。从粘胶纤维制取高力学性能的碳纤维必须经高温拉伸石墨化，碳化收率低，技术难度大，设备复杂，成本较高，产品主要为

耐烧蚀材料及隔热材料所用。由沥青制取碳纤维，原料来源丰富，碳化收率高，但因原料调制复杂，产品性能较低，亦未得到大规模发展。由聚丙烯腈纤维原丝可制得高性能的碳纤维，其生产工艺较其它方法简单，而且产品的力学性能优良，用途广泛，因而自20世纪60年代问世以来，取得了长足的发展，成为当今碳纤维工业生产的主流。

聚丙烯腈基碳纤维的生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程。原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、 上油、烘干收丝等工序。碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。

根据产品规格的不同，碳纤维目前被划分为宇航级（aerospace-grade）和工业级（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） 通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维.包括48K、60K、120K、360K和480K等。宇航级碳纤维初期以1K、3K、6K为主。逐渐发展为14K和21K主要应用于国防军工和高技术，以及体育休闲用品，像飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。工业级碳纤维应用于不同民用工业，包括：纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。

四、我国聚丙烯腈基碳纤维发展现况

我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，历经近50年的漫长历程。在此期间，由于国外把碳纤维生产技术列入禁运之列，严格控制封锁，制约了我国碳纤维工业的发展。我国科技工作者发扬自力更生的精神，从无到有，逐步建成了碳纤维的工业雏型。 20世纪70年代初突破连续化工艺。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，生产能力为2t/a。20世纪80年代开展了高强型碳纤维的研究，于1998年建成一条新的中试生产线，规模为40t/a。我国主要研究单位有中科院山西煤化所、上海合纤所、北京化工大学、山东工业大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等。面对国外在技术、设备、品种和性能等方面激烈竞争，迅速发展的局面。我国碳纤维生产处于起步阶段，与国外相比有很大差距。无论产量、质量均不能满足市场发展需求。目前制约我国碳纤维发展的首要原因是原丝质量不过关，其它原因还有生产技术及设备等。

五、我国碳纤维消费情况与需求

尽管我国碳纤维生产发展缓慢，但消费量却与日俱增，市场需求旺盛。主要集中在文体用品和航空航天方面，一般产业需求增长也比较迅速。国内碳纤维应用的主要领域有如下：

航空、航天及国防领域、飞机、卫星、火箭、导弹、雷达、体育休闲品、高尔夫

球、渔具、网球拍、羽毛球拍、箭杆、自行车、赛艇等新兴市场碳纤维基增强工程塑料、压力容器、建筑补强等。

国内PAN基碳纤维材料加工业已初具规模，有一定的技术基础和市场开发能力，市场需求比较旺盛，但碳纤维的生产远远不能满足市场需求，需大量进口。此外，考虑到我国碳纤维的应用还在不断发展，许多用途还有待开发我国碳纤维未来的潜在消费市场，对碳纤维的需求量将更大。因此，未来我国碳纤维的市场需求前景广阔，潜力极大。

六、发展趋势

碳纤维属高新技术，高附加值产品，具有其他材料不可比拟的优异性能，有广泛的用途和良好的发展前景，随着我国经济的持续快速发展碳纤维的市场需求与日俱增发展我国的碳纤维工业具有重大的现实意义和深远的历史意义。因此，针对当前现状，必须加快我国碳纤维发展进程。

碳纤维生产工艺流程长，技术关键点多，是多学科、多技术的集成。发展我国的碳纤维工业，当前首先要解决工程化问题，可采用消化吸收引进技术与自主创新相结合办法，尽快实现规模化工业生产。在工程实践和生产实践中锻炼人才，积累经验，在发展中不断提升技术水平，真正掌握核心技术。首先必须解决

原丝质量问题，同时还需要加强预氧化、碳化、石墨化设备及表面处理工程技术研究开发。碳纤维很少直接使用，大多是经深加工制成中间产物或复合材料后使用。为此，应大力开展应用研究，扩大使用范围，形成产业链，提升其附加值，通过上下游产业共同努力，促使碳纤维产业走上快速发展轨道，逐步建立健全碳纤维工业生产及应用研发体系，立足自身，加强交流与合作。同时密切关注国际上著名碳纤维生产厂商技术发展进程，借鉴其发展经验，加快发展步伐。