碳纖維的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀

趙碎彬+魯盈

摘 要：目前，碳纖維工業(yè)化產(chǎn)品主要包括PAN基和瀝青基，世界上消費(fèi)高性能碳纖維主要是美國(guó)，而生產(chǎn)高性能碳纖維主要是日本，碳纖維已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。碳纖維大多應(yīng)用于復(fù)合材料的生產(chǎn)，且廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。論文主要分析了國(guó)內(nèi)外碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀，著重介紹了碳纖維在宇航、體育用品領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、交通運(yùn)輸領(lǐng)域及土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：碳纖維;復(fù)合材料;領(lǐng)域;應(yīng)用

收稿日期：2015-09-17

一、碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀研究

1.國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

1959年日本進(jìn)藤博士采用PAN奧綸為原材料研究開發(fā)基碳纖維，日本大谷教授利用煤焦、石油煉制過程中的副產(chǎn)品（瀝青）研究成功開發(fā)了瀝青基碳纖維。

1965年，粘膠纖維基碳纖維是由美國(guó)的UCC公司開發(fā)成功的，主要材料是粘膠纖維。于20世紀(jì)70年代初就開始生產(chǎn)碳纖維，主要應(yīng)用于火箭噴嘴，其能有效防止熱氣流傳。1971年至1983年，日本東邦人造絲公司、東麗公司等對(duì)碳纖維研究比較早，在此期間已經(jīng)能進(jìn)行大批量的生產(chǎn)，主要用于體育器具，歐美則用于航空和航天工業(yè)。

1980年前，波音公司首次將碳纖維使用在757飛機(jī)上，1985年-1990年，歐美主要對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品性能和深加工技術(shù)進(jìn)行了研究。

國(guó)外利用電磁輻射等離子技術(shù)由碳纖維原絲來生產(chǎn)碳纖維;并把納米技術(shù)應(yīng)用于碳纖維上，研制出納米碳纖維，超高模量的瀝青碳纖維長(zhǎng)絲發(fā)展迅速。

2.國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

20世紀(jì)70年代中期，我國(guó)開始研究碳纖維，經(jīng)過多年的發(fā)展，碳纖維在研發(fā)領(lǐng)域上取得了很大的成就，但總的來說，國(guó)內(nèi)碳纖維的研制與生產(chǎn)水平還較低。

吉林省長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所于1960年代初，開始對(duì)PAN基碳纖維進(jìn)行研究，并先后完成了連續(xù)化中試裝置。上海合成纖維研究所等單位也開始研究，于1980年通過了中試?？傊覈?guó)在碳纖維領(lǐng)域的研究方面起步晚、發(fā)展也緩慢。

二、碳纖維的應(yīng)用狀況研究

1.宇航領(lǐng)域

碳纖維重量很輕，但其尺寸穩(wěn)定性，剛性和導(dǎo)熱性能均很好，最初的高模量碳纖維廣泛在人造衛(wèi)星技術(shù)當(dāng)中使用。在宇航上的碳纖維應(yīng)用主要包括火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和殼體。2002年，碳纖維的需求量在宇航領(lǐng)域中大約是4000t，其應(yīng)用分布：北美為2500t，高達(dá)62.5%;歐洲和亞洲分別為1260t和240t，分別占26.1%和4.2%。

2.土木建筑領(lǐng)域

隨著碳纖維生產(chǎn)成本不斷地在降低，加之復(fù)合材料加工技術(shù)不斷高速發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)越來越大。

3.工業(yè)領(lǐng)域

近年來碳纖維在宇航工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用相對(duì)萎縮，與體育休閑用品和航天航空領(lǐng)域相比，碳纖維應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的需求不斷上升。隨著復(fù)合材料輥?zhàn)印⒒A(chǔ)設(shè)施、油氣開采等應(yīng)用研發(fā)的不斷成功，從而進(jìn)一步促進(jìn)了碳纖維的發(fā)展。

4.交通運(yùn)輸領(lǐng)域

新一代的汽車要求降能、降耗，減輕汽車重量是最為重要的方法，因此采用復(fù)合材料是最有效的解決辦法。碳纖維在一輛小汽車的用量約113kg，按照這個(gè)計(jì)算，那么碳纖維在世界上的汽車領(lǐng)域?qū)⒊^現(xiàn)有碳纖維生產(chǎn)總量的100倍。因此采用碳纖維復(fù)合材料作為汽車材料，具有廣闊的前景。

5.能源領(lǐng)域

高性能碳纖維的電阻率一般在10-3～10-2?·cm之間，因此，由于電阻率很低，廣泛應(yīng)用于新能源和電化學(xué)領(lǐng)域。與原碳材料電極比較，高性能碳纖維具有體積小、質(zhì)輕、傳導(dǎo)性能高等優(yōu)點(diǎn)。用高性能碳纖維紙制作質(zhì)子交換膜——燃料電池的氣體擴(kuò)散層電極材料，已獲得電池制造商的認(rèn)同，得到了快速發(fā)展。

6.體育休閑領(lǐng)域

2002年，碳纖維用量在全球的休閑體育用品使用了4990t，其中3100t消耗在亞洲國(guó)家，大概占據(jù)全球的62.2%;其次碳纖維用量在北美消耗1120t，占全球消耗總量的22.4%;歐洲國(guó)家消耗770t，占全球總量的15.4%。亞洲等國(guó)家正大力發(fā)展復(fù)合材料。

碳纖維復(fù)合材料在技術(shù)、工藝等領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)展，主要集中在航空航天、軍事領(lǐng)域、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域、土木工程、交通運(yùn)輸、壓力容器、石油開采、紡織機(jī)械等領(lǐng)域。因此，大力研發(fā)碳纖維及其復(fù)合材料，可帶來長(zhǎng)期、穩(wěn)定的投資收益。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭敏怡.我國(guó)高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2012，（2）.

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