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標題: 材料之王——碳纖維 [打印本頁]

作者: 東南西北 時間: 2008-1-10 12:04
標題: 材料之王——碳纖維
碳纖維——是由有機母體纖維（例如粘膠絲、聚丙烯腈或瀝青）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，具有強度高、重量輕等特點，是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在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的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景，綜觀多種新興的復合材料(如高分子復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料)的優異性能，不少人預料，人類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個復合材料廣泛應用的時代。
　碳纖維的用途主要是利用其"輕而強"和"輕而硬"的力學特性，廣泛應用于航空、航天、軍工、體育休閑等結構材料；利用其尺寸穩定性，應用于宇宙機械、電波望遠鏡和各種成型品；利用其耐疲勞性，應用于直升飛機的葉片；利用其振動衰減性，應用于音響器材；利用其耐高溫性，應用于飛機剎車片和絕熱材料；利用其耐藥品性，應用于密封填料和濾材；利用其電氣特性，應用于電極材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料；利用其生體適應性，應用于人工骨、韌帶；利用其 X-光透過性，應用于 X-光床板等。
　　此外，還可以活化成活性碳纖維，應用于各種吸附領域。具體應用例如：①釣魚桿現年產量約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，現已占碳纖維體育用品用途的50％，年碳纖維用量為2000t；③網球拍的年市場規模約為450萬只，年碳纖維用量約500t；④飛機方面，小型商務機和直升飛機的復合材料用量已占70％一80％，軍用機30％一40％，大型客機15％一20％；⑥人造衛星結構體、太陽能電池板和天線要用高模碳纖維，先進的運載火箭和導彈殼體、發射筒等要用800H和 T300碳纖維等；⑥土木建筑領域，已用于補修加工用片材、建筑部件、代鋼筋材料、屋頂構架材料等；⑦能源領域，已用于汽車的壓縮天然氣罐和風車葉片(長達30-40m)、海底油田管道、升降機等；⑧交通運輸方面，已應用于賽車、汽車傳動軸、大型卡車車體等；⑨電子電器領域，已應用于增強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。
碳纖維產業是由原絲（PAN）生產再到預浸料再到具體的終端產家這么一個產業鏈。目前, 原絲的售價是40元～50元/公斤,碳纖維為200元/公斤,預浸料為500元/公斤,每一級的深加工都有高幅度的增值。
　　我國碳纖維的生產和使用尚處于起步階段, 國內碳纖維生產能力僅占世界高性能碳纖維總產量的0.4％左右,國內用量的90％以上靠進口。而PAN 原絲質量一直是制約我國碳纖維工業規模化生產的瓶頸。另外,碳纖維長期以來被視為戰略物資,發達國家一直對外實行封鎖。因此,有關專家認為,強化基礎研究是創新之本, 是發展國內碳纖維工業的根本出路。
美國聯合碳化物公司（UCC）于1959年開始最早生產粘膠基碳纖維，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，日本研究人員發明了用聚丙烯腈（PAN）原絲制造碳纖維的新方法。在此基礎上，英國皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纖維的技術流程，使其發展駛入了快車道，PAN基碳纖維成為當前碳纖維工業的主流，產量占世界總產量的90%左右。1974年，美國聯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商為日本的東麗、東邦人造絲、三菱人造絲三大集團和美國的卓爾泰克（ZOLTEK）、阿克蘇（AKZO）、阿爾迪拉（ALDILI）和德車的SGL公司等。其中日本三大集團占世界生產能力的75%。世界CT型碳纖維總生產能力為22100噸/年，LT型碳纖維總生產能力為9550噸/年；實際生產量約為7000噸/年。　
　在20世紀90年代中期以前，軍事工業、航天與航空工業與體育休閑業一直是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。　　
當前世界上PAN基炭纖維正處于迅速增長的發展期：產品性能趨向于高性能化，T700S加快取代T300作通用級炭纖維；產量增加較快，1996~2000增長48.1%；航天航空和體育用品用量增加穩定，民用工業用量增幅較大，已超過前兩者，特別是隨著大絲束炭纖維的大規模生產，價格的降低，民用工業需求增加迅猛。
目前，國內研究開發以及生產碳纖維的呼聲很高，發展趨勢令人鼓舞。下面分別對各地區的開發情況作一簡介。
　　(1)上海地區。最近上海石化公司召開了碳纖維原絲發展研討會，該公司準備投資過億元，采用NaSCN一步法生產數千噸PAN基原絲，真正形成工業規模生產。上海星樓實業有限公司也制定了一套碳纖維產業化發展計劃，擬建立400t／a 大絲束碳纖維生產線，總投資也超億元(包括下游產品)。此外，上海市合纖所采用亞砜兩步法研制和小批量生產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品。
(2)安徽地區。“十五”期間，國家已批準在安徽蚌埠建立500t／aPAN 原絲和200t／a碳纖維生產線，總投資過億元。PAN原絲采用亞砜一步法，技術由國外引進；產品以12K的T300級碳纖維為主，并準備引進成熟的預浸料生產線。華皖集團(原蚌埠燈芯絨集團公司)二期建設規模將使碳纖維產量翻一番，達到400t／a。下游產品的開發也列入發展規劃。
(3)浙江地區。中寶碳纖維責任有限公司在浙江嘉興擬建400t／a大絲束碳纖維生產線，技術和設備引進，投資數億元，并配套300萬m2預浸料。該項目國家已批準，并積極開展了前期論證和考查工作。根據國內外市場動向及投資與回報等問題，暫緩建立碳纖維生產線，而集中力量開發預浸料等下游產品。同時，還成立了浙江省碳纖維工程技術研究開發中心，全面推進碳纖維事業。
(4)廣西地區。桂林市化纖總廠擬建200t／a碳纖維生產線，產品為3—12K的小絲束碳纖維，投資也過億元。
　　(5)山東地區。山東省已把碳纖維列入全省十大高技術產品開發工程首位項目。有以下幾個單位從事碳纖維及其制品的研究與生產，或準備介入碳纖維事業。
　　●山東天泰碳纖維有限責任公司。作為國家計委示范工程將建立400t/a生產線，碳纖維性能為T300級水平，產品以12K 為主。計劃 400t/a 投產后，再翻一番到800t/a，投資超億元。技術協作單位是山東工業大學等。同時該公司積極開發和生產多種下游產品。
　　●青島將建立50t/a左右的碳纖維生產線，青島化工學院高分子工程材料研究所(恒晨公司)的介入，引起國內同行們的極大關注。
●山東威海光威漁具集團有限公司主要從事釣竿生產，碳纖維預浸布的規格有30余種。根據發展趨勢，有可能向上游即PAN基原絲和碳纖維發展。此外，山東省東營生產力促進中心也在考慮招商引資建立碳纖維生產線，認為石油等工業是碳纖維的潛在市場。
　　(6)北京化工大學與吉化公司樹脂廠，將依靠自己的技術建立 500t/a 原絲和200t/a碳纖維生產線。放棄硝酸法，采用亞砜一步法技術路線生產原絲。目前，正在進行中試實驗。
　　(7)蘭化集團化纖廠已有100t/a原絲生產線和預氧化生產裝置，計劃配套碳化裝置生產碳纖維。原絲采用NaSCN一步法。該單位的晴綸生產線是我國從國外首次引進的，有豐富的生產經驗和技術積累。
　　(8)吉林碳素廠是我國小絲束碳纖維生產基地，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。目前，該廠正在建立新的小絲束碳纖維生產線，擴大產量，以滿足市場需求。
　　(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線。目前該所與揚州聚酯責任有限公司共建碳材料聯合實驗室，研制高性能PAN 基碳纖維，并準備在揚州建立產業化基地。此外，山西榆次化纖廠是我國唯一用亞砜一步法生產PAN基原絲達數十年的單位，目前仍在生產。
　　從以上信息可以看出，當前發展態勢有以下幾個特點：①投入力度大；②規模大；③參與單位多，特別是大企業的參與；④起點高，采用多項新技術、新工藝；⑤自動化程度高，工控、程控在線配套使用；⑥逐步建立起質量控制和質量檢測方法，特別是在線檢測。
三、重視基礎研究，建立自己的知識產權
　　當前，除極個別單位外，大多數準備引進項目的技術和設備水平屬國際中下等，產品碳纖維也是這個檔次，引進后的消化、吸收與創新是面臨的重大課題。因此，在引進的同時應該組織自己的技術隊伍，在消化吸收的基礎上求創新。如果只是沿著別人的腳印前進，就永遠是跟在別人后面，不會占據制高點。從大量國外資料可以清楚地看出，即使他們生產的碳纖維質量和產量占據世界榜首，但其新思維、新方法、新設備、新成果仍不斷涌現，而不是墨守成規。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量占世界總產量的74％左右(表1)，而這3個公司發表的專利也相當多。例如：東麗公司目前生產的碳纖維T1000，抗拉強度最高 ( 7.02GPa)、單絲直徑最細(5.3um)，可代表世界先進水平，但公司最新專利報道，其實驗室已研制出新一代碳纖維，抗拉強度已達到9.03GPa，比T1000提高了28.6％；單絲直徑降到3.2um，比T1000細了39.6％。同時，該公司還開發截面形狀為三葉形的PAN原絲及碳纖維，以拓寬其用途。
　　基礎研究是創新之源，已引起各級領導和有關單位的重視，上下認識一致，有的已開始實施，這是提高我國碳纖維工業技術水平的關鍵之一。目前國家“863 計劃”以及有關部委都在關心我國碳纖維工業的發展及其產業化步伐，并給予強有力的支持。許多材料專家也扎扎實實的做了許多工作。無疑，“十五”將是我國碳纖維工業產業化的黃金時代。
為了充實G大元的資產質量，大股東大連實德將旗下的中寶碳纖維公司部分股權以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%股權是全價受讓所得。
　　5月10日，G大元和大連實德下屬的北京實德簽署受讓中寶碳纖維公司17.74%股權協議，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的。在此次受讓之前，G大元已經持有中寶碳纖維公司49%股權，但那是股權分置改革前全價受讓所得。
　　G大元的公告說，此次重大資產購買的目的，是為了優化公司主營業務結構，增強核心競爭力和持續經營能力，改善公司的資產狀況、提高盈利能力，以實現公司價值的最大化，從根本上保證長期健康發展，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，當年實現主營業務收入3010萬元，2005年實現主營業務收入6600萬元，凈利潤444萬元。
碳纖維的發展在20世紀80年代表現為碳纖維的性能不斷提高，新品種的不斷問世；到了20世紀90年代，碳纖維的性能沒有多大發展，市場需求主要是成本的降低，表現在商用大絲束的發展和碳纖維復合材料在建筑，交通運輸等領域的擴大應用。
⑴產品性能不斷提高
老品種性能不斷提高，以日本東麗公司T300為例：T300在20世紀70年代初的拉伸強度為2450MPa；到20世紀80年代初，拉伸強度提高到2940～3140MPa；在20世紀80年底中期拉伸強度為3300～3430MPa；從1988年起，拉伸強度穩定在3530MPa上下。
象東麗公司T300這樣的標準模量級的高強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，拉伸強度3450～3800MPa.
⑵中模高強型碳纖維的開發復合材料的力學性能主要取決于增強碳纖維的力學性能。因此，提高纖維的性能對改善復合材料的性能起著關鍵的作用。對航空工業中廣泛使用的碳纖維，提高其性能尤為重要。事實上，隨著飛機性能的提高以及復合材料在飛機上的應用部位的擴大，復合材料的設計師很快發現典型的T-300一級碳纖維的性能偏低（主要表現在拉伸強度和斷裂應變偏低），不能滿足新的設計思想對減輕飛機結構質量，提高飛機性能，降低成本，節省能源等方面的要求，尤其是對機翼，機身等主承力結構更是如此，因此開發性能優于T300的中模量高強度的碳纖維就顯得極為重要。
⑶高強高模MJ系列碳纖維
1989年東麗公司在原高模量碳纖維M系列的基礎上，開發了相應的高強高模MJ系列碳纖維新產品，使高模量碳纖維的強度得到較大的提高。開發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度。
⑷高模量瀝青基碳纖維
在開發高模量碳纖維過程中，要達到同樣的模量，PAN基要比瀝青基的處理溫度高數百度。美國聯碳公司開發的瀝青基P系列碳纖維，碳纖維的模量已接近理論模量。

作者: tlljch 時間: 2009-6-5 08:24
中國的碳纖維研制遠遠落后于日本，著急a！據報道日本東麗公司2008年的利潤是中國全部化纖利潤總和，2008年中國化纖總產量2500萬噸。這就是差距!中國大飛機項目沒有碳纖維很難搞成功。

作者: allen007 時間: 2009-6-8 20:02
學習了不錯啊

作者: airraptor 時間: 2009-6-15 17:01
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度

作者: raymond.guan 時間: 2009-7-3 16:40
以美國為首的對中國碳纖維封鎖，，，，，

作者: wuzhn 時間: 2009-7-3 17:08
學習了，謝謝！！！

作者: 湯學紅 時間: 2009-7-15 19:36
啊?醬紫啊！

作者: asdcp 時間: 2009-7-16 12:46
中國在材料的研發方面遠遠落后西方國家

作者: xyk314 時間: 2011-7-9 10:22
是啊，聽說做出來的質量也比發達國家的差，沒辦法

作者: hisun_cth 時間: 2011-7-12 13:45
俺的羽毛球拍子就是碳纖維的！日本的！

作者: hgdragon 時間: 2011-7-20 11:37
碳纖維現在還是被美日給封鎖

作者: 劃地為牢 時間: 2011-7-20 16:06
本帖最后由劃地為牢于 2011-7-20 16:07 編輯

現在一輛碳纖維材料的自行車售價大約上萬元
碳纖維將是高端產品選擇材料的不錯選擇

作者: glin2051 時間: 2011-8-2 15:34
受教了，好東西太多了，可是不能總是遇上，遇上了……

作者: 劃地為牢 時間: 2011-9-3 12:42
碳纖維作為近幾年復合材料的翹楚，的確值得推廣，國家的領導人都很重視，估計全面推廣使用也僅是技術與定價的問題了。

作者: 劃地為牢 時間: 2011-9-3 12:43
另外各位行業老師們對碳纖維制作工藝及加工設備有沒有了解嗎？討論一下如何？

作者: cjlgl 時間: 2011-9-7 13:03
我的漁桿是碳纖維的，前幾年在商店看到的碳纖維自行車售價一萬多元。

作者: demin 時間: 2011-9-8 13:15
好點的碳纖維自行車車架就好幾萬，呵呵，一萬多的自行車是很普通的車子

作者: 慕雪晨陽 時間: 2011-9-17 13:13
我原以為碳纖維材料很便宜，沒想到這么貴！！！還想自己用碳纖維材料做個小飛機呢

作者: 2584067 時間: 2011-9-19 09:52
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作者: 233530058 時間: 2011-10-31 23:22
碳纖維是個好東西，接觸過后確實不錯

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