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一、碳纤维简介

碳纤维(carbonfiber，简称CF)，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。它既有碳纤维的固有特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。从碳纤维问世到现在已有00多年，现而今碳纤维的应用已经深入到我们生活的方方面面，大到航天飞机，小到手机壳，碳纤维的身影随处可见。

、碳纤维发展年爱迪生曾用纤维素纤维，如竹、亚麻或棉纱为原料，首先制得碳纤维并获得专利，但当时制得的纤维力学性能很低，工艺也不能工业化，未能获得发展。20世纪50年代初，由于火箭、航天及航空等尖端技术的发展，迫切需要比强度、比模量高和耐高温的新型材料，另外，采用前驱纤维为原料经热处理的工艺可制得碳纤维连续长丝，这一工艺奠定了碳纤维工业化的基础。40多年来，碳纤维经历的重大技术进展如下：20世纪50年代初，美国Wright-Patterson空军基地以黏胶纤维为原料，试制碳纤维成功，产品作火箭喷管和鼻锥的烧蚀材料，效果很好。年美国联合碳化物公司试制高模量黏胶基碳纤维成功，商品名“Thornel—25”投放市场，同时开发了应力石墨化的技术，提高碳纤维的强度与模量。20世纪60年代初，日本进藤昭男发明了以聚丙烯腈（PAN）纤维为原料制取碳纤维的方法，并取得了专利。年日本碳公司及东海电极公司用进藤的专利开发聚丙烯腈基碳纤维。年日本碳公司工业化生产普通型聚丙烯腈基碳纤维成功。年英国皇家航空研究中心（RAE）通过在预氧化时加张力试制出高性能聚丙烯腈基碳纤维。由Courtaulds公司，Hercules公司和Rolls—Royce公司采用RAE的技术进行工业化生产。年日本大谷杉郎首先制成了聚氯乙烯沥青基碳纤维，并发表了先驱性的沥青基碳纤维的研究报告。年日本碳公司开发高性能聚丙烯腈基碳纤维获得成功。年日本东丽（TorayTextileInc.）公司依靠先进的聚丙烯腈原丝技术，并与美国联合碳化物公司交换碳化技术，开发高性能聚丙烯腈基碳纤维。97年东丽公司将高性能聚丙烯腈基碳纤维产品（Torayca）投放市场。随后产品的性能、品种、产量不断发展，至今仍处于世界领先地位。此后，日本东邦、旭化成、三菱人造丝及住友公司等相继投入聚丙烯腈基碳纤维的生产行列。（见聚丙烯腈基碳纤维）年日本吴羽化学工业公司采用大谷杉郎的专利，首先建成年产20t普通型（GPCF）沥青基碳纤维的生产厂，年产量增到t。该产品被用作水泥增强材料后，发现效果很好，年产量增至t，年再次增加到t。年美国联合碳化物公司生产高性能中间相沥青基碳纤维（HPCF）成功，年产量为3t，年增至t，年增至3t。年起，日本东丽、东邦、日本碳公司、美国Hercules、Celanese公司、英国Courtaulds公司等，先后生产出高强、超高强、高模量、超高模量、高强中模以及高强高模等类型高性能产品，碳纤维拉伸强度从3.5GPa提高到5.5GPa，小规模产品达7.0GPa。模量从GPa提高到GPa，这是碳纤维工艺技术的重大突破，使应用开发进入一个新的高水平阶段。98年起沥青科学取得重大进展，开发出几种调制中间相沥青的新工艺，如日本九州工业试验所的预中间相法，美国EXXON公司的新中间相法，日本群马大学开发的潜在中间相法，促进了高性能沥青基碳纤维的开发。随后日本三菱化成化学公司、大阪煤气公司、新日铁公司陆续建成一批不同规格的高性能碳纤维生产厂。其特点是模量增高的同时也增高强度。20世纪80年代是沥青基碳纤维的兴旺发展时期。黏胶基碳纤维自20世纪60年代中期以后没有发展，仅生产少量产品供军工及特种部门使用。2、碳纤维特性

）比重轻，密度是钢的/4，是铝合金的/2；

2）强度高，抗拉强度在MPa以上，比强度为钢的0倍；3）模量高，弹性模量在GPa以上；4）耐超高温，在非氧化气氛条件下，可在℃时使用；5）耐低温，在-80℃低温下，碳纤维依旧具有弹性；6）耐酸、耐油、耐腐蚀、耐久性强；7）热膨胀系数小，导热系数大，耐急冷急热，即使从℃的高温突然降到室温也不会炸裂；8）耐磨性好；9）导电性能良好。3、碳纤维工艺及分类

碳纤维可以按照原丝种类、力学性能、丝束规格等进行分类。

）按原丝类型可分为：聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基碳纤维4大类。

其中，PAN基碳纤维由于生产工艺相对简单，产品力学性能优异，用途广泛，占碳纤维总量的90%以上；沥青基、粘胶基、酚醛基的产量规模较小。碳纤维的性能在很大程度上决定于原丝的质量。

2）按形态可分为：长丝、短纤维和短切纤维。

3）按力学性能可分为：通用型和高性能型。

通用型碳纤维强度为MPa，模量为00GPa左右，高性能型碳纤维又分为高强型（强度MPa）和高模型（GPa）

4）按照每束碳纤维中单丝根数，碳纤维可以分为：小丝束和大丝束两大类别。

一般按照碳纤维中单丝根数与的比值命名，如2K、24K。

4、碳纤维主要应用场景

碳纤维具有其他材料所不可替代的优良性能，在航空航天、风电叶片、体育休闲、汽车、压力容器、碳碳复材、建筑等领域广泛应用。其中风电叶片、航空航天和休闲体育是碳纤维的前三大应用领域，占据整个市场的近60%，而汽车需求近年来也有所增长。

（）风机叶片

在碳中和的目标下，风力发电作为清洁能源的重要力量之一，得到了大力发展。在我国，风电叶片是碳纤维最重要的增长市场，特别是制造超大型风电机组所需叶片，必须使用质量轻、强度高、刚性好的碳纤维，保证结构强度的同时避免叶片在风载作用下发生大变形甚至撞击风车支柱，碳纤维的导电性还能避免雷击等。

（2）航空航天

碳纤维材料广泛应用在卫星、飞机、火箭、导弹和高速飞行器等航空航天领域。由于碳纤维质量小，动力消耗少，可节约大量燃料。民用客机是拉动碳纤维需求增长的主要力量，如机身、机翼等部件。

（全球首款全碳纤维飞机,空重仅千克:独创翼型,机长0.75米）（3）体育休闲体育休闲领域是碳纤维最早的商业化应用，也是主要的应用市场。如在高尔夫球杆、自行车架、钓鱼竿、球拍、曲棍球棍、滑雪板、帆板桅杆、帐篷杆及棒球球棒等等高端休闲体育市场。（4）汽车轻量化及氢能源存储

碳纤维复合材料被广泛应用于汽车的车身、传动轴、刹车片、尾翼、发动机、新能源汽车动力电池箱体和引擎盖等，使汽车部件更加轻量化，承压力更好。特别是新能源汽车对轻量化要求更高，以提高续航能力，碳纤维有利于实现汽车轻量化设计。

（国产48K大丝束碳纤维技术获重大突破储氢成本将大幅降低）

（5）其他应用除了航空航天（国防）、风电领域外，碳纤维复合材料还被广泛应用于包括民用飞机、汽车、体育休闲、混配模成型、电缆芯、建筑建材、压力容器、船舶、电子电器等多个领域。当然目前由于碳纤维材料本身的成本相对较高，限制了其大面积应用，但是我们认为随着我国在民机制造领域、新能源汽车以及国内风电领域工艺技术的不断改进，以及碳纤维制造成本的持续下降，未来我国碳纤维市场需求将保持快速增长。木木杨

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