碳纖維的發展及其應用現狀

摘 要：目前，碳纖維工業化產品主要包括PAN基和瀝青基，世界上消費高性能碳纖維主要是美國，而生產高性能碳纖維主要是日本，碳纖維已廣泛應用于各行各業中。碳纖維大多應用于復合材料的生產，且廣泛應用于各行各業。論文主要分析了國內外碳纖維發展現狀，著重介紹了碳纖維在宇航、體育用品領域、工業領域、交通運輸領域及土木建筑領域的應用。

關鍵詞：碳纖維;復合材料;領域;應用

收稿日期：2015-09-17

一、碳纖維的發展現狀研究

1.國外發展現狀

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

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

1980年前，波音公司首次將碳纖維使用在757飛機上，1985年-1990年，歐美主要對復合材料產品性能和深加工技術進行了研究。

國外利用電磁輻射等離子技術由碳纖維原絲來生產碳纖維;并把納米技術應用于碳纖維上，研制出納米碳纖維，超高模量的瀝青碳纖維長絲發展迅速。

2.國內發展狀況

20世紀70年代中期，我國開始研究碳纖維，經過多年的發展，碳纖維在研發領域上取得了很大的成就，但總的來說，國內碳纖維的研制與生產水平還較低。

吉林省長春應用化學研究所于1960年代初，開始對PAN基碳纖維進行研究，并先后完成了連續化中試裝置。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?，我國在碳纖維領域的研究方面起步晚、發展也緩慢。

二、碳纖維的應用狀況研究

1.宇航領域

碳纖維重量很輕，但其尺寸穩定性，剛性和導熱性能均很好，最初的高模量碳纖維廣泛在人造衛星技術當中使用。在宇航上的碳纖維應用主要包括火箭發動機噴管和殼體。2002年，碳纖維的需求量在宇航領域中大約是4000t，其應用分布：北美為2500t，高達62.5%;歐洲和亞洲分別為1260t和240t，分別占26.1%和4.2%。

2.土木建筑領域

隨著碳纖維生產成本不斷地在降低，加之復合材料加工技術不斷高速發展，碳纖維復合材料在土木建筑領域的應用市場越來越大。

3.工業領域

近年來碳纖維在宇航工業領域中應用相對萎縮，與體育休閑用品和航天航空領域相比，碳纖維應用于工業領域的需求不斷上升。隨著復合材料輥子、基礎設施、油氣開采等應用研發的不斷成功，從而進一步促進了碳纖維的發展。

4.交通運輸領域

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，按照這個計算，那么碳纖維在世界上的汽車領域將超過現有碳纖維生產總量的100倍。因此采用碳纖維復合材料作為汽車材料，具有廣闊的前景。

5.能源領域

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，廣泛應用于新能源和電化學領域。與原碳材料電極比較，高性能碳纖維具有體積小、質輕、傳導性能高等優點。用高性能碳纖維紙制作質子交換膜——燃料電池的氣體擴散層電極材料，已獲得電池制造商的認同，得到了快速發展。

6.體育休閑領域

2002年，碳纖維用量在全球的休閑體育用品使用了4990t，其中3100t消耗在亞洲國家，大概占據全球的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%;歐洲國家消耗770t，占全球總量的15.4%。亞洲等國家正大力發展復合材料。

碳纖維復合材料在技術、工藝等領域取得了長足的進展，應用范圍也不斷擴展，主要集中在航空航天、軍事領域、工業應用領域、土木工程、交通運輸、壓力容器、石油開采、紡織機械等領域。因此，大力研發碳纖維及其復合材料，可帶來長期、穩定的投資收益。

參考文獻：

[1]郭敏怡.我國高性能碳纖維產業發展現狀與展望[J].軍民兩用技術與產品，2012，（2）.

[2]羅益鋒，羅 晰.改變中的全球碳纖維產業格局[J].新材料產業， 2012，（2）.