一、前言 　　
    碳纤维是由有机母体纤维 (粘胶丝、聚丙烯睛或沥青等 )采用高温分解法在1000-3000℃高温的惰性气体下碳化制成的，具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，是一种力学性能优异的材料。特别是聚丙烯腈 (PAN)基碳纤维，其性能优越，更适合规模化生产，是当今碳纤维的主流，成为了军民两用的主导材料，广泛应用于国防、航空航天、高档民用产品。其实，碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴向表现出很高的强度。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。 　　碳纤维作为高性能纤维的代表，属于高技术密集型产品，其生产技术复杂，产业发展涉及官、产、学、研各个环节。由于它是发展航天航空和军事工业等尖端技术必不可少的新材料，也是民用工业更新换代的基础材料，国外又对其出口进行封锁，所以近年来我国就一直比较重视对其研制和生产，虽然起步较早，投入不薄，但仍处于失利地位，很重要的一个方面是反映出高技术产业创新系统存在的问题。
二、碳纤维的研究历史 　　
1.碳纤维研究历史 　　
    1950年，美国Wright-Patterson空军基地开始研制粘胶基碳纤维。1959年，早上市的粘胶基碳纤维Thornel-25就是美国联合碳化物公司(UCC)的产品。与此同时，日本研究人员也在1959年发明了用聚丙烯腈(PAN)基原丝制造碳纤维的新方法。在此基上，英国皇家航空研究院开发出了制造高性能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，产量占总产量的90％左右。20世纪70年代中期，UCC在美国空军和海军的资金支持下，研发高性能中间相沥青基碳纤维；1975年研发成功Thornel P-55(P-55)，在1980-1982年之间，又研发成功P-75、P-100和P-120，年产量为230吨。P-120的模高达965GPa，是理论值的94％ ，热导率是铜的1.6倍，线膨胀系数仅为-1.33×l0-6/K，且在375℃ 空气中加热1 000 h仅失重0.3％-1.0％ 左右，显示出优异的抗氧化性能。它们已广泛用于火箭喷管、导弹鼻锥、卫星构件、舰艇材料等方面。不仅美国国防部资助碳纤维T业的发展，美国国会也关注碳纤维，国际市场上碳纤维的全方位商业化始于20世纪70年代，70年代是高尔夫球棒和钓鱼杆应用的引入和发展时期，主要是在日本。 　　
    而早在1971年的时候，日本东丽公司成了上制造商，从事PAN基碳纤维的大型工业化生产，并将其产品命名为"TORAYCA"，是东丽碳纤维的缩写。目前，东丽是生产和营销碳纤维的者。在20世纪80年代早期，碳纤维开始被广泛地用在客机和航空飞行器上作为结构材料，主要在欧洲和北美进行应用。然后，人们提高了对碳纤维的认识，开始把它当成一种高质量的材料，并在20世纪80年代中期得到了飞速的增长 在80年代中期，欧洲空客公司开始将CFRP(碳纤维增强塑料)作为要的结构材料应用在它们的飞机上，而且，随着碳纤维在网球和新的体育项目的应用，碳纤维市场得到了稳步的扩展。 　　
2.我国碳纤维研究历史 　　
    我国较早地意识到碳纤维的研制和生产对军事工业发展和国民经济具有重要作用，早在20世纪60年代末就开始研制碳纤维，经过40余年的发展，碳纤维从无到有，从研制到生产取得了一定的成绩，但总的来说，国内碳纤维的研制与生产水平还较低，一直没有在高标号碳纤维研究上取得突破性进展。我国碳纤维产业未实现大规模工业化生产、产品规格单一。碳纤维的生产属于精细炭素工业 ，在生产过程中，单体 、聚合、纺丝、油剂、预氧化、炭化及表面处理等工序环环紧扣，是一个多学科、多交叉的系统工程。国内先后有多家企业介入碳纤维的研发与生产，但多数均以失败告终，退出该领域。 　　
    近些年来，由于我国对碳纤维需求量的日益增加，碳纤维又成为国内新材料业研发的热点。但是，除极个别企业外，大多数引进项目的技术和设备水平属国际中下等，生产的碳纤维产品也未达到高端水平，引进后的消化、吸收与创新是碳纤维行业面临的重大课题。如甘肃地区的腈纶生产线是我国早引进的，有丰富的生产经验和技术积累，但是生产的原丝质量不高，与工艺相似的Courtaulds 公司相比，质量相差很大。我国碳纤维产品应用主要依赖进口，制约了相关高技术的发展。我国碳纤维的主要用途包括体育器材、一般工业应用、航天航空和国防领域。其中体育器材用量大，约占总消费量的 80％-90％。造成这种消费结构特点的主要原因是韩国和我国台湾地区把体育器材产业转移到我国大陆沿海地区，提高了体育器材领域聚丙烯腈基碳纤维的用量。我国一般工业和航空航天领域碳纤维的应用尚有待于扩大，我国国防产品用聚丙烯腈基碳纤维主要是规格为1K、3K、6K的相当于 T300的产品。由于国外对我国实行产品和技术封锁，我国国防用聚丙烯腈基碳纤维主要来自于科研院所 (如东华大学、中科院山西煤化所 )及企业试验设备所生产的少量产品，质量不是太稳定。
三、碳纤维的产需情况分析 　　
1.1995-2010年期间碳纤维产需情况 　　
    据统计，1995年，碳纤维的产量为14500吨，1998年碳纤维产量为17000吨，消耗为16900吨，供应略大于需求。2003年碳纤维产量为19900吨，消耗为19900吨，供求基本平衡。到2005年起碳纤维市场出现了前所未有的紧俏形势，价格猛涨。2005年年底，产量增至21000吨，据预测，到2008年，碳纤维的消耗量将达到30900吨，碳纤维将出现供不应求的局面。为此也迎来了碳纤维厂家开始分阶段扩大产能，以不失时机地谋求更大的利润。 　　而到了2010年期间，预计碳纤维的消耗量将达到45000吨。也就是说，年增长率达到10-12%。据悉，亚洲为西格里集团发展的战略重点，而则是其亚洲计划的重要组成部分。下表1为1996-2002年碳纤维的主要生产商和生产能力回顾。
表1　1996~2002年碳纤维生产能力回顾 类别生产单位商品名生产能力（吨/年） 1996年 2002年 小丝束ST 日本东丽（TORAY） Torayca 3600 7300 日本东邦（TOHO） Besfight 3020 5600 日本三菱（M。R。C） Pyrofil 1900 4700 美国赫克塞尔（HEXCEL） Hercules 1715 2000 美国阿莫科（AMOCO）　 1210 1800 台湾台塑　 620 1755 　其它　 - 45 　　合计　 - 23200 大丝束LT 美国 AKZO福塔菲尔 Fortafil 2270 3465 美国卓尔泰克（ZOLTEX）　 - 1800 德国爱斯奇爱尔（SGL）　 - 100 　 RK?/FONT>carbon 　　 1800 美国阿尔迪拉（ALDILA）　 - 1000 　东丽　 - 300 　合计　 - 8465 　　总计　 14335 31665　　据悉，美国1998年生产碳纤维7300 吨/年，2003年降低到6800 吨/年，2008年则回升到 8300吨/年。1998、2003和2008年的碳纤维消耗的统计与预测相应为7200、6600和9500吨/年。可见在1998-2003年期间，美国碳纤维的生产和消耗都回落。而2003~2008年期间碳纤维的生产和消耗则都有较大的增长。而日本1998、2003和 2005年碳纤维的生产量为 6700、9000和9300 吨/年，而消耗则分别为2900、2800和3400 吨/年，生产都远大于消耗。对日本来说碳纤维一直是供过于求的。日本按应用领域主要是体育休闲用品，其次是工业应用，航空航天占第三位。 　　
    值得一提的是，由于日本东丽（Toray）工业公司看好碳纤维的发展前景，该公司前不久打算花550亿日元进行碳纤维扩能，到2008年年底将增加日本、美国和法国的TORAYCA碳纤维生产能力，以满足需求增长。其聚丙烯腈基(PAN)碳纤维总生产能力将达到17900吨/年，目前产能13900吨/年，这种材料主要用在飞机方面。在日本爱媛县，公司将新建一套400吨/年碳纤维装置，到2008年1月使该基地能力提高到7300吨/年；到2008年12月，使位于美国亚拉巴马的东丽碳纤维美洲公司生产能力从3600吨/年增加到5400吨/年；到2007年8月，在法国Abidos的碳纤维合资公司的生产能力将从2600吨/年增加到了3400吨/年，到2008年12月，增加到5200吨/年。它还打算到2009年1月，在石川县建成一套产能580万平方米/年预浸料坯--用树脂浸渍的碳纤维片材。东丽打算进一步增加碳纤维的生产能力，到2010年增加到2400吨/年。该公司还希望把在上的销售比例从目前的34%增加到40%。 　　
    另外，还有三菱人造丝集团除在美国的Grafil公司增设生产线外，在欧洲还委托大丝束碳纤维厂家SGL的OEM（英国RK）生产小丝束碳纤维，此外从2007-2008年预定将增设2个系列的2000吨/年生产线。至此，日本3家公司在美、日、欧均有生产据点。 　　
2.我国碳纤维生产与消费分析 　　
2.1我国碳纤维的生产情况 　　
    据悉，近年来国内碳纤维以科研院校研究为主，有关生产厂家也在考虑抓住这次难得的历史机遇，开始投入中试或小规模产业化。如安徽华皖碳纤维公司，该公司引进全部原丝和碳纤维工艺技术软件和硬件，2003年开始建设，一期规划500吨原丝、200吨T-300PAN碳纤维。扬州汇通碳纤维公司采用国产技术新建100吨原丝、40吨T-300PAN碳纤维，山东威海光威集团在目前的基础上计划新建2500吨原丝、1000吨碳纤维生产线等等。2006-2007年期间，国内还有几个具有经济实力的公司打算今后上碳纤维项目，现在正在调研之中，还没有完全确定下来具体建设的时间和地点。未来几年，的碳纤维产能一定会得到提升，但是必须在技术创新提升的基础上扩大产能才为明智。 　　
2.2我国碳纤维的消费情况 　　
    2002年我国聚丙烯腈基碳纤维总消费量约为2235吨，2004年国内碳纤维使用量已近3000余吨，且近年来的上升速率达10％-15％，然而其中 95％依赖进口。由于我国碳纤维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，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。 [-page-]
四、碳纤维的应用领域 　　
1.航空航天 　　
    碳纤维及其树脂复合材料的突袭优点是高比强和高比模量。其强度重量比就比钢和铝合金高2~3倍，因此先用于航天航空方面作为结构材料，以提高飞行器的性能及有效载荷。如：航天军用飞机，火箭、洲际导弹等众多军用以及太阳能电池板，人造卫星构造体，宇宙飞船的翼面板和支持构造件，太空望远镜。航空以客机和军用机为主要应用对象。碳纤维在飞机上的比例已从原来的10%~20%上升至50%~80%。一架波音777客机碳纤维的耗用量达到5吨。欧洲空中客车公司计划于2008年新一代波音飞机，每架用35t碳纤维。纤维复合材料占46%时，其他材料分别为铝合金占35%，钛合金占9%，钢占6%。火箭发动机的绝热壳体代材料采用玻璃纤维增强塑料，第二代为芳纶复合材料，第三代为高强碳纤维复合材料。发动机碰管的喉部要承受高达3500K左右的高温，碳/碳复合材料能耐1800℃以上的高温，有良好的耐烧蚀性能和抗热震能力，比强高、热膨胀系数小，适合制作碰管的喉衬、导弹的再入端头等。碳/碳复合材料增强骨架一般由碳纤维、多向编织物和针刺三维碳毡制成的预成型体。上海市纺织系列开发研制了采用聚丙烯腈预氧化纤维整体毡作碳/碳复合材料的增强骨架材料。已成功应用在我国自行设计制造的人造卫星发动机上。 　　
2.体育和医疗用品 　　
    以高档文体器材为例，如：高尔夫球杆、钓鱼杆、滑雪板、赛艇、赛车等。1992年美国制成了碳纤维复合材料的高尔夫球杆，它比金属杆轻30%~50%。碳纤维第二大市场则以日本、台湾省和南韩为中心。上世纪90年代中期高尔夫球杆产品每年就生产500~700万根，而CF网球拍和钓鱼杆，仅台湾省和南韩，1986年已突破500吨大关。近年来，这类产品钓鱼杆、赛艇等的生产基地已逐渐移至沿海一带，并已出口创汇。医疗器械包括假肢、人造骨骼、韧带、关节及X光透视机等。 　　
3.一般工业 　　
    碳纤维吸附材料在化学、冶金、石油、机械、纺织等工业领域应用相当广泛，主要用于"空气净化"、"三废处理"、风力发电、海洋石油开采和纺机配件剑杆织机等。如：美、日和我国正在开发的42-60mm长的大型风力发电CFRP叶片，可降每度成本3美分。又如900mm以下的深海油田，只能用CFRP制品。碳纤维混沙纸等还可用于住所、温室等取暖。 　　
4.土工建材 　　
    碳纤维增强材料CFRC与钢筋混凝土相比，抗张强度和抗弯强度高5-10倍，弯曲韧度和伸长应变能力高20~30倍，重量却只有其1/2，绝热性好，可解决高层建筑的高精度防水（不会龟裂），象东京的37层示范大楼，使用400吨通用级沥青碳纤维作为外装材料后，使大楼外壁减轻60%，地震负荷减轻12%，并节省了4000吨钢材，缩短了工期。日本五家建筑公司提出了"空中都市"的构想，要建筑超出地面1000m以上的高层建筑。 　　
碳纤维在建材中的第二个用途是用于制造层压胶合板梁。美国的层压胶合板制作者近采用从可再生资源的"新生长"林木材--碳纤维制成复合材料，商品名为Firp Glulam，为建筑上提供了一种更经济、结构更完美的建筑梁。Firp Glulam梁已在美国和日本实地安装使用。个采用该技术的项目是1993年在美国达拉斯施工的Taylor湖桥，其跨度24。4m，梁宽17m，高14.2m.现在日本、美国和欧洲买主求购大型圆拱顶结构的碳纤维复合梁。　 　　
    碳纤维在建筑中的另一个较大的用途是用于建筑修复。日本（MCC）开发出采用碳纤维和环氧树脂制成的预浸带用于1995年日本阪神大地震后水泥梁住、隧道、桥梁、建筑物外墙裂缝的翻新修复。由于碳纤维材料比强度比钢铁高10倍，且不腐蚀、无磁性，易于现场吊装和施工。CF片材修补受损建筑物的行业在日本、台湾省十分好看，而美国打算将国内所有的桥梁轮番用CF复合材料米加强。1997年日本国内需求为1090吨，预计在这个领域中碳纤维耗用量将超过体育用品。 　　
另外，碳纤维的主要用途及应用形态与种类可见下表2。
表2 碳纤维的主要用途及应用形态、种类 种类　用途有关产业 丝束　高温隔热材料（a）电子、汽车、飞机、原子能 复 合 材 料 C F R CF增强树脂（CFRP）密封材料（a）化学、石油工业、石油、汽车 功能材料（滑动、导电、耐腐蚀材料等）（a、b）电子、电工、机械、宇航、飞机、化学 CF增强碳（CFRC）结构材料（重要较高模量的一次，二次结构用才）（b）运动器材、飞机、宇航、电工、医疗 烧蚀材料（a、b）宇航 CF增强金属（CFRM） 摩擦材料（a、b）汽车、铁道、飞机、机械 炭、石墨材料（a）钢铁、电工 CF增强水泥（CFRC） 有关电池的基材（a、b）电力、汽车 建筑、土木材料（a、b）船舶、住宅建设五、碳纤维的发展前景 　　
预测到2008年碳纤维的消耗将大于生产，范围内碳纤维将面临供不应求。碳纤维在应用领域上，工业应用领域会持续增长，航空航天领域基本保持平衡，而体育闲用品在碳纤维应用的比例将持续下降。 　　
    近年来，只有日本等个别碳纤维的生产远大于消耗，对日本本国来说，碳纤维一直是供过于求的。按应用领域看，日本主要是体育休闲用品，其次是工业应用，航空航天占第三位。而其他的碳纤维生产量却是远远小于消耗，主要靠从日本、美国和欧洲进口来解决消耗和生产间的差额。从应用领域看，体育休闲用品都占位，工业应用占第二位，航空航天是第三位。但值得指出的是，航空航天领域消耗碳纤维的比例却在不断上升，该领域从 l998年的2％ 增至 2003年的4％，而预测 2008年将猛增到 l2％。因此，碳纤维产业发展前景仍然是十分看好的