碳纖維研究及發展現狀

唐 佳，陳玉祥

（西南石油大學，四川成都 610500）

碳纖維研究及發展現狀

唐 佳，陳玉祥

（西南石油大學，四川成都 610500）

碳纖維因其優良的性能被廣泛運用于各行各業中。簡述了碳纖維的發展現狀，碳纖維種類、生產方式以及碳纖維表面處理工藝。PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維是生產最多和使用最多的碳纖維，在碳纖維生產過程中會進行上漿處理，以減少機械摩擦引起的毛絲和單絲斷裂現象，使碳纖維使用性能更好。

碳纖維；PAN基碳纖維；瀝青基碳纖維；上漿處理

碳纖維是將聚丙烯晴、瀝青等有機纖維在1 000～3 000℃高溫的惰性環境中，分解碳化成無機高分子纖維，其含碳量在90%以上，是國際認可的現代高科技領域典型新材料的代表。碳纖維具有超高導電能力、抗腐蝕、耐磨損、耐高溫、質量輕的優異性能，在2 000℃高溫的惰性環境下能保持強度不發生變化的材料[1]，被廣泛地運用到航空航天、汽車風電、醫用設備、建筑補強以及石油化工等各個領域。碳纖維的推廣進一步推動著全球經濟以及工業文明的快速發展，尤其是碳纖維在軍事領域中的運用，利用碳纖維制造出了性能更好的軍工裝備，增強國防實力。

1 碳纖維發展現狀

碳纖維在國外的發展較為迅速，其中以日本東麗、德國SGL、三菱麗陽、臺塑集團以及日本帝人為主，這些集團掌握了碳纖維研發生產的關鍵技術，實現了碳纖維制造的規?；a，碳纖維總產量更是占全球市場份額60%，成為碳纖維制造生產和對外輸出的主要供應商[2]。因碳纖維優異的性能，許多國家開始對碳纖維生產技術的自主研發，但因未掌握制造的關鍵，加上碳纖維發展快速國家對技術的嚴格保密，使這些國家在研發碳纖維的進程上發展緩慢。

我國碳纖維的研究始于二十世紀六十年代，因受當時經濟條件及設備的影響，碳纖維研發進展不大。改革開放后，國家整體的經濟水平得到提升，加大了對碳纖維的財政支持，2010年我國碳纖維的產能7 071t，為我國實現碳纖維工業化生產奠定了基礎，初步實現碳纖維的國產化，2008年我國將碳纖維列入化纖行業重點扶持項目，隨后完成了“十一五”規劃中碳纖維T300生產線，在“十三五”規劃中制定了完成碳纖維T700以上百噸生產線的目標，指定了我國碳纖維發展方向及目標[3]。

2 碳纖維分類

根據前驅體的不同碳纖維可以分為四大類：PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維以及酚醛基碳纖維。

根據力學性能可將碳纖維分為：超高模量碳纖維、高強度碳纖維、高模量碳纖維、超高強度碳纖維、高性能碳纖維和通用碳纖維，其中超高模量碳纖維的模量需大于450GPa，超高強度碳纖維的強度需大于4 000MPa。根據絲束可分為1K-24K的小絲束纖維和48～480K的大絲束纖維[4]。

3 碳纖維表面處理

碳纖維表面缺乏化學活性官能團，呈惰性，浸潤性差，界面黏結強度低，通過表面處理能增加表面粗糙度，引入極性基團，增強表面活性。常用的表面改性方法有液相氧化法、等離子體法、聚合物涂層法、物理射線輻照法以及氣相氧化法等[5]。碳纖維在生產加工成復合材料的過程中，由于機械摩擦易產生毛絲和單絲斷裂現象。毛絲的存在導致碳纖維的浸潤性差，制備而成的復合材料容易產生孔隙，導致力學性能降低。因此，除表面改性處理外，生產過程中通常要對碳纖維進行上漿處理，在碳纖維的表面涂上一層保護膠，改善纖維表面的物理和化學性能，根據上漿劑用溶劑不同可分為乳液型上漿劑、溶劑型上漿劑和水溶性上漿劑三種類型[6]。

4 碳纖維的作用領域

因碳纖維優異的性能，被廣泛用于各個領域，包括生活休閑、工業、交通和軍事等方面。如：碳纖維材料質量輕，在生活中常被用于制造羽毛球拍、自行車、滑雪板以及游艇等。在工業上，碳纖維常被用于混凝土結構補強、飛機制造、風力發電以及汽車制造。碳纖維作為一種新型的建筑加固材料，因其耐腐蝕、高模量和易加工性，被廣泛的用于結構補強中，提高混凝土承載能力和抗彎能力，減少地震帶來的危害。

利用碳纖維材料生產的自行車，尺寸穩定性高，塑性變形小，回彈性好，自行車的質量輕，流線型設計使騎行過程阻力小，速度更快[7]。同時，因質量輕性能好，也被用作飛機制造材料，在減輕質量的同時，節能減排，降低成本。據統計，已有70%～80%的直升飛機和商務飛機使用了碳纖維復合材料。

5 結論

碳纖維性能優異，隨著經濟的快速發展，應用范圍不斷擴大，需求量不斷增長。我國應大力發展碳纖維行業，研發出強度更高、模量更大的碳纖維，以滿足各行業對碳纖維的需求，同時，升級設備，增加設備數量，建立更多碳纖維生產線，以緩解我國碳纖維依靠進口的現狀。

[1] 李建利，張新元，張元，等.碳纖維的發展現狀及開發應用[J].成都紡織高等?？茖W校學報，2016，33（2）：158.

[2] 黃澤翠，代君.碳纖維市場現狀和前景分析[J].精細與專用化學品，2016，24（6）：13.

[3] 謝豐遠，馮小錄.有關碳纖維發展現狀及市場的分析和探究[J].民營科技，2016，（11）：88.

[4] 孫敏.碳纖維技術發展及應用分析[J].煤炭加工與綜合利用，2014，（8）：17.

[5] 代志雙，李敏，張佐光，等.碳纖維上漿劑的研究進展[J].航空制造技術，2012，20：95.

[6] 劉化虎，吳相升，宋會青.碳纖維用上漿劑研究進展[J].安徽化工，2016，42（2）：11.

[7] 顧良娥，周恒香.碳纖維復合材料在自行車上的應用[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2016，（2）：264.

Research and Development of Carbon Fiber

Tang Jia，Chen Yu-xiang

Carbon fiber is widely used in all walks of life because of its excellent properties.The development of carbon fiber，the types and production methods of carbon fiber and the surface treatment process of carbon fiber are briefly described.PAN based carbon fiber and asphalt base carbon fiber production and use of carbon fiber is the most most，in the production process of carbon fiber for sizing processing，to reduce the mechanical and filament mono filament breakage due to friction，the use of carbon fiber for better performance.

carbon fiber；PAN based carbon fiber；pitch based carbon fiber；sizing treatment

TQ342.742-1

A

1003–6490（2017）10–0063–01

2017–06–25

唐佳（1993—），女，四川德陽人，碩士在讀，主要研究方向為腐蝕與防護。