国内碳纤维材料的生产现状

1 前言
      碳纤维是指含碳量高于90% 的无机高分子纤维，一般作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成具有强度高、模量高、重量轻、抗疲劳、耐腐蚀等一系列优异性能的新型复合材料。与传统的玻璃纤维( GF) 相比，杨氏模量是其3 倍多; 它与凯芙拉纤维( KF － 49) 相比，不仅杨氏模量是其2 倍左右，而且耐蚀性出类拔萃。碳纤维根据原丝类型可分为聚丙烯腈( PAN) 基、沥青基和粘胶基等3 种; 根据力学性能可分为通用型、高性能型两种。目前，全碳纤维生产中
以聚丙烯腈基为主。
       碳纤维的主要性能:
( 1) 密度小、质量轻，密度为1. 5 ～ 2g・cm－3，相当于钢密度的l /4、铝合金密度的1 /2;
( 2) 强度、弹性模量高，其强度比钢大4 ～ 5倍，弹性回复l00%;
( 3) 具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂;
( 4 ) 导电性好，25℃ 时高模量纤维为775μΩ・cm － 1，高强度纤维为1500μΩ・cm － 1 ;
( 5) 耐高温和低温性好，在3000℃非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化;
( 6 ) 耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓HCl、H3PO4、H2SO4等侵蚀。
此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳
        纤维在使用前须进行表面处理［1］。
       自碳纤维工业化生产以来，各国都特别重视其应用开发。通常，碳纤维不单独使用，而是与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料，该复合材料具有轻质、高强、耐高温、耐疲
劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到广泛应用。随着碳纤维价格的不断降低，其应用范围从满足性能要求高的航空、航天领域逐步向文体和民用领域扩展。
        2 国内碳纤维材料发展的现状
        作为目前新型复合材料选的增强体―――碳纤维是一个高投资、高技术含量的产品，可对于的企业家来说好像门槛并不那么高，每年都有十几家企业参与进来。但从技术方面来看，碳纤维生产涵盖了高分子、无机和有机化学、材料科学等多个学科，以及化学工程、纤维成型、自控、机械等多项工程技术高度集成，且没有国外样品和技术作为借鉴，该产品对性能、形态结构、微结构要求很高，技术流程很复杂。①纺丝除考虑成本和力学性能外，还要考虑界面问题，如果碳纤维和树脂基体表面结合不好，性能再高也无济于事; ②碳纤维的碳化过程是制约其产业化工艺的关键问题，涉及相互独立、相互制约的参数非常多; ③在制备技术方面，要具备较好的单元技术基础，还有赖于技术的集成和装备的整体技术水平。此外，与国外相比我国碳纤维发展在聚合的可控性、稳定化、高倍拉伸氧化控制、上浆剂、设备国产化、降低能耗物耗、环保等方面显得较为薄弱［2］。“十二五”期间，对包括碳纤维在内的高性能纤维产品在工业领域应用发展进行了立项和重点部署，积极研制高质量、高性能碳纤维产品，并不断拓展其在军用、航空航天、能源、环保、汽车、造船、桥梁、建筑、抽油杆、民用等方面的应用。
      此外，预计未来几年碳纤维增强材料在汽车行业、轨道交通、风电等领域将迎来新的市场机遇。
表1 我国大陆主要PAN 基碳纤维生产及拟/在建项目统计t /a
    生产企业原丝产能碳纤维产能备注