材料之王-----碳纤维

碳纤维－－是由有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的。其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能， 不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。

　碳纤维的用途主要是利用其"轻而强"和"轻而硬"的力学特性，广泛应用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料；利用其尺寸稳定性，应用于宇宙机械、电波望远镜和各种成型品；利用其耐疲劳性，应用于直升飞机的叶片；利用其振动衰减性，应用于音响器材；利用其耐高温性，应用于飞机刹车片和绝热材料；利用其耐药品性，应用于密封填料和滤材；利用其电气特性，应用于电极材料、电磁波屏蔽材料、防静电材料；利用其生体适应性，应用于人工骨、韧带；利用其 X-光透过性，应用于 X-光床板等。
此外，还可以活化成活性碳纤维，应用于各种吸附领域。具体应用例如：

①     钓鱼杆现年产量约1200万只，年碳纤维用量1200t；

②     高尔夫球杆随着轻量化和长尺寸化的要求，现已占碳纤维体育用品用途的50％，年碳纤维用量为2000t；

③     网球拍的年市场规模约为450万只，年碳纤维用量约500t；

④     飞机方面，小型商务机和直升飞机的复合材料用量已占70％一80％，军用机30％一40％，大型客机15％一20％；

⑤     人造卫星结构体、太阳能电池板和天线要用高模碳纤维，先进的运载火箭和导弹壳体、发射筒等要用800H和 T300碳纤维等；

⑥     土木建筑领域，已用于补修加工用片材、建筑部件、代钢筋材料、屋顶构架材料等；

⑦     能源领域，已用于汽车的压缩天然气罐和风车叶片(长达30-40m)、海底油田管道、升降机等；

⑧     交通运输方面，已应用于赛车、汽车传动轴、大型卡车车体等；

⑨     电子电器领域，已应用于增强热塑性树脂的挤出成型品，如抗静电 IC盘、笔记本电脑的筐体，具有电磁波屏蔽效果；

⑩     其它，还有X-射线盒、医用床板、印刷、制膜、造纸等用的各种滚轴、空气或氧气呼吸用压力容器等等。

碳纤维产业是由原丝（PAN）生产再到预浸料再到具体的终端产家这么一个产业链。目前, 原丝的售价是40元～50元/公斤,碳纤维为200元/公斤,预浸料为500元/公斤,每一级的深加工都有高幅度的增值。

我国碳纤维的生产和使用尚处于起步阶段, 国内碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4％左右,国内用量的90％以上靠进口。而PAN 原丝质量一直是制约我国碳纤维工业规模化生产的瓶颈。另外,碳纤维长期以来被视为战略物资,发达国家一直对外实行封锁。因此,有关专家认为,强化基础研究是创新之本, 是发展国内碳纤维工业的根本出路。

美国联合碳化物公司（UCC）于1959年开始最早生产粘胶基碳纤维，五六十年代是粘胶基碳纤维的鼎盛时期，虽然时期已开始衰退，但是它作为耐烧蚀材料至今仍占有一席之地。1959年，日本研究人员发明了用聚丙烯腈（PAN）原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道，PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流，产量占世界总产量的90%左右。1974年，美国联合碳化物公司开妈了高性能中间相沥青基碳纤维Thornel-35的研制，并取得成功。目前Thornel-P系列高性能沥青碳纤维仍是最好的产品，这样就形成了PAN基、沥青基和粘胶基碳纤维的三大原料体系。

世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克（ZOLTEK）、阿克苏（AKZO）、阿尔迪拉（ALDILI）和德车的SGL公司等。其中日本三大集团占世界生产能力的75%。世界CT型碳纤维总生产能力为22100吨/年，LT型碳纤维总生产能力为9550吨/年；实际生产量约为7000吨/年。 　

　在20世纪90年代中期以前，军事工业、航天与航空工业与体育休闲业一直是CT型碳纤维的主要市场。自1996年美国成功地将LT型碳纤维工为化以后，CT型碳纤维与LT型碳纤维竞争十分激烈。

当前世界上PAN基炭纤维正处于迅速增长的发展期：产品性能趋向于高性能化，T700S加快取代T300作通用级炭纤维；产量增加较快，1996~2000增长48.1%；航天航空和体育用品用量增加稳定，民用工业用量增幅较大，已超过前两者，特别是随着大丝束炭纤维的大规模生产，价格的降低，民用工业需求增加迅猛。

目前，国内研究开发以及生产碳纤维的呼声很高，发展趋势令人鼓舞。下面分别对各地区的开发情况作一简介。(2004年基准)

(1)上海地区。最近上海石化公司召开了碳纤维原丝发展研讨会， 该公司准备投资过亿元，采用NaSCN一步法生产数千吨PAN基原丝，真正形成工业规模生产。上海星楼实业有限公司也制定了一套碳纤维产业化发展计划，拟建立400t／a 大丝束碳纤维生产线，总投资也超亿元(包括下游产品)。此外，上海市合纤所采用亚砜两步法研制和小批量生产PAN基原丝以及碳纤维； 上海碳素厂也有小型碳化线及碳纤维下游产品。

(2)安徽地区。“十五”期间，国家已批准在安徽蚌埠建立500t／aPAN 原丝和200t／a碳纤维生产线，总投资过亿元。PAN原丝采用亚砜一步法，技术由国外引进； 产品以12K的T300级碳纤维为主，并准备引进成熟的预浸料生产线。华皖集团(原蚌埠灯芯绒集团公司)二期建设规模将使碳纤维产量翻一番，达到400t／a。下游产品的开发也列入发展规划。

(3)浙江地区。中宝碳纤维责任有限公司在浙江嘉兴拟建400t／a大丝束碳纤维生产线，技术和设备引进，投资数亿元，并配套300万m2预浸料。 该项目国家已批准，并积极开展了前期论证和考查工作。根据国内外市场动向及投资与回报等问题，暂缓建立碳纤维生产线，而集中力量开发预浸料等下游产品。同时，还成立了浙江省碳纤维工程技术研究开发中心，全面推进碳纤维事业。

(4)广西地区。桂林市化纤总厂拟建200t／a碳纤维生产线，产品为3—12K的小丝束碳纤维，投资也过亿元。

(5)山东地区。山东省已把碳纤维列入全省十大高技术产品开发工程首位项目。有以下几个单位从事碳纤维及其制品的研究与生产，或准备介入碳纤维事业。 

●山东天泰碳纤维有限责任公司。作为国家计委示范工程将建立400t/a生产线，碳纤维性能为T300级水平，产品以12K 为主。 计划 400t/a 投产后， 再翻一番到800t/a，投资超亿元。技术协作单位是山东工业大学等。同时该公司积极开发和生产多种下游产品。

●青岛将建立50t/a左右的碳纤维生产线， 青岛化工学院高分子工程材料研究所(恒晨公司)的介入，引起国内同行们的极大关注。

●山东威海光威渔具集团有限公司主要从事钓竿生产，碳纤维预浸布的规格有30余种。根据发展趋势，有可能向上游即PAN基原丝和碳纤维发展。此外， 山东省东营生产力促进中心也在考虑招商引资建立碳纤维生产线，认为石油等工业是碳纤维的潜在市场。

(6)北京化工大学与吉化公司树脂厂， 将依靠自己的技术建立 500t/a 原丝和200t/a碳纤维生产线。放弃硝酸法，采用亚砜一步法技术路线生产原丝。目前，正在进行中试实验。

(7)兰化集团化纤厂已有100t/a原丝生产线和预氧化生产装置， 计划配套碳化装置生产碳纤维。原丝采用NaSCN一步法。 该单位的晴纶生产线是我国从国外首次引进的，有丰富的生产经验和技术积累。

(8)吉林碳素厂是我国小丝束碳纤维生产基地，已向用户提供50 余吨小丝束碳纤维，为国家作出了积极贡献。目前，该厂正在建立新的小丝束碳纤维生产线，扩大产量，以满足市场需求。 

(9)中科院山西煤化所研制碳纤维已有30多年历史。在70年代中期， 建成我国第一条纤维中试生产线；在90年代末期，又建成我国第一条吨级粘胶基碳纤维生产线。目前该所与扬州聚酯责任有限公司共建碳材料联合实验室，研制高性能PAN 基碳纤维，并准备在扬州建立产业化基地。此外，山西榆次化纤厂是我国唯一用亚砜一步法生产PAN基原丝达数十年的单位，目前仍在生产。 

从以上信息可以看出，当前发展态势有以下几个特点：①投入力度大；②规模大；③参与单位多，特别是大企业的参与；④起点高，采用多项新技术、新工艺；⑤自动化程度高，工控、程控在线配套使用；⑥逐步建立起质量控制和质量检测方法，特别是在线检测。