CMF实验室 | 碳纤维及其应用

碳纤维，大家都经常听说起，即熟悉又陌生，它是一种高性能材料，既有碳材料硬的固有特性，又有纺织纤维柔的加工特性，被称为材料之王。

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简介

碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

大家常说的 “碳纤维” 实际上是碳纤维增强复合材料的简称。碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer)，简称CFRP。碳纤维增强复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。

碳纤维织物的不同排布方式

碳纤维增强复合材料的最基本构成单元是碳丝(Carbon Fiber Filament)，碳丝的基本原材料是预聚物(Prepolymer) 聚丙烯腈(PAN) ，人造丝或石油沥青。然后通过化学和机械方法使碳丝成为碳纤维织物，用于碳纤维制件。

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碳纤维分类

按照原料体系：碳纤维主要分为粘胶基、沥青基和聚丙烯腈（PAN）基三大种类，其中PAN基碳纤维因其生产工艺简单、成本较低、碳化吸收率较高、力学性能优良等特点，是生产高性能碳纤维最有前途的前驱体，利用其制备的碳纤维综合性能最好、生产工艺成熟简单、应用最广、产量最高、品种最多，是目前全球碳纤维市场的主流，产量占全球碳纤维总产量的90%以上。

按性能：碳纤维可分为通用型、高强型（GQ）、高强中模型（QZ）、高模型（GM）和高强高模型（QM）碳纤维。日本东丽公司由于其碳纤维领域的主导地位，其产品代号成为业界通用指标，一般分为高强“T”系列和高模“M”系列，数字越大对应的性能等级越高，尾号带字母的性能等级高于不带字母的（如T300B性能大于T300）。

根据丝束大小：碳纤维可划分为小丝束和大丝束，小丝束碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K，主要应用于国防军工等高科技领域，以及体育休闲用品，如飞机、导弹、火箭、卫星和渔具、高尔夫球杆、网球拍等。通常将48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K、60K、80K等，主要应用于工业领域，包括：纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。

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碳纤维特性

碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。

碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工的两大特性，是一种力学性能优异的新材料。

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碳纤维增强复合材料成型方法

碳纤维增强复合材料的成型方法有很多种：

1）手糊成型法

先在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的碳纤维预浸料，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸渍并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层碳纤维预浸料，反复上述过程直至达到所需厚度为止。然后，通过加热抽真空才能固化（热压成型），最后脱模得到碳纤维复合制品。

在成型技术高度发达的今天，手糊工艺仍然具有工艺简便、投资低廉、适用面广的特点，在石油化工、储存容器、贮槽、汽车壳体等诸多领域有广泛应用。其缺点是质地疏松、精度不高、表面粗糙、密度低，制品强度不高，并且主要依赖人工，质量不稳定，生产效率很低，难以批量化和标准化。

2）热压罐成型

热压罐是最早开发用于航空结构复合材料制造的一种技术，目前还在继续大量使用。特别是对一些大尺寸和形状复杂的制件，采用整体化的共固化成型时，就要采用这种技术。

热压罐成型的工艺过程如下：

1.模具准备。模具要用软质材料轻轻擦拭干净，并检查是否漏气。然后在模具上涂布脱模剂。

2.裁剪和铺叠。按样板裁剪带有离型纸的碳纤维预浸料，剪切时必须注意纤维方向，然后将裁剪好的预浸料揭去保护膜，按规定次序和方向依次铺叠，每铺一层要用橡胶辊等工具将预浸料压实，赶除空气。

3.组合和装袋，在模具上将预浸料坯料和各种辅助材料组合并装袋，应检查真空袋和周边密封是否良好。

4.热压固化，将真空袋系统组合到热压罐中，接好真空管路，关闭热压罐，然后按确定的工艺条件抽真空/加热/加压固化。

5.出罐脱模，固化完成后，待冷却到室温后，将真空袋系统移出热压罐，去除各种辅助材料，取出制件进行修整。

3）模压成型

模压成型工艺是复合材料生产中一种传统常用的成型方法。它是由普通的塑料制品模压成型演变而来的，是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的碳纤维复合材料成型方法。模压成型基本过程是：将一定量经一定预处理的模压料放入预热的模具内，施加较高的压力使模压料填充模腔。在一定的压力和温度下使模压料固化，然后将制品从模具内取出，再进行必要的辅助加工即得产品。

4）纤维缠绕成型

纤维缠绕是一种复合材料连续成型方法，基本方法是将浸过树脂胶液的连续碳纤维带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为复合材料制品。这种方法主要用来制造圆形管道、压力罐、贮存罐等旋转对称形状的产品。其特点是成型过程连续，一次性完成；制品形状尺寸都能得到保证，在直径方向的强度高。但需要专门的缠绕机器和辅助设备，生产成本较高。

5）RTM成型

RTM是利用低黏度树脂在闭合模具中流动浸润碳纤维材料并最后固化成型的一种技术，其成型过程是由树脂和催化剂计量泵按配比输出的带压液体在静态混合器中混合均匀，并注入已合理铺放好预成型增强体的闭合模中，模具需有周边密封和紧固，并保证树脂流动顺畅，然后进行固化。

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碳纤维的应用

碳纤维碳材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用。从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。碳纤维增强的复合材料可以应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等I业领域、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

1）土木建筑

土木建筑领域:碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强，在铁路建筑中，大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用，这些也将是碳纤维很有前景的应用方面。具有密度小，强度高，耐久性好，抗腐蚀能力强，可耐酸、 碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强的特点。

2）航空航天

碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料。将碳纤维复合材料应用在战略导弹的弹体和发动机壳体上，可大大减轻重量，提高导弹的射程和突击能力。

3）汽车材料

碳纤维在汽车内外装饰中大量采用。碳纤维作为汽车材料，最大的优点就是质量轻、强度大。可以使汽车的轻量化取得突破进展。

4）体育用品

碳纤维运用在球杆、钓鱼竿、网球拍、自行车、滑雪杖、滑雪板、帆船桅杆、航海船体等运动用品中。

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行业内主要企业

日本东丽（TORAY）

日本东丽成立于1926年，当时主要生产粘胶人造丝。1971年切入碳纤维领域，是世界上第一家从事碳纤维生产的公司。

日本东邦（TOHO）

日本东邦成立于1934年6月，主要涉及碳纤维复合材料业务、纺织纤维业务，日本东邦于1975年开始量产聚丙烯腈系的碳纤维“TENAX”。

日本三菱丽阳（MITSUBISHI）

日本三菱丽阳株式会社1983年开始生产碳纤维。三菱丽阳集团同时拥有PAN基碳素纤维和沥青基碳素纤维，以及以碳素纤维为基本原材料生产的中间材料和成型加工品。

美国赫克塞尔（HEXCEL）

美国赫氏公司拥有40年的碳纤维制造经验，是一个中模量碳纤维技术（小丝束）的领导者，能够自主生产供应聚丙烯腈（PAN），并专注于原丝和碳纤维的研发。

美国卓尔泰克（ZOLTEK）

作为世界领先的大丝束碳纤维生产厂家，美国卓尔泰克主要生产碳纤维预浸料，多轴布，符合各种工程塑料用的短切碳纤维，预氧丝。

德国西格里（SGL）

德国西格里（SGL）是德国SIGRI股份有限公司和美国大湖碳素公司于1992年合并而成，德国西格里（SGL）是全球领先的碳素石墨材料及相关产品制造商之一，拥有从碳、石墨产品到碳纤维及碳碳复合材料在内的完整生产线。

美国氰特（CYTEC）

美国氰特公司是世界领先的经营特种化工及材料技术的公司之一，公司前身是美国氰胺公司化工部，1993年在纽约证券交易所上市，是一家特种化学品和特种材料的创新公司，在研究，开发和生产领域居全球领先地位。

土耳其阿克萨（AKSA）

土耳其阿克萨（AKSA）是全球最大的腈纶制造商。该公司从1971年开始生产腈纶丝，于2008年下半年开始碳纤维试生产，并于2009年第3季度开始商业化生产。2012年，美国陶氏化学（DOW）与土耳其阿克萨（AKSA）组建合资公司DowAksa，专业生产碳纤维，并致力于下游制品的研发。

台湾台塑

台湾塑胶工业股份有限公司成立于1954年，是台湾最大的PVC粉生产商。

2000年，我国只有山东、吉林等地有极少数企业涉足碳纤维产品，年生产线规模仅为几十吨。2005年后，随着国家出台相关扶持政策，碳纤维产业驶上发展快车道。

本篇文章部分图片素材来源自网络

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