解密碳纤维——小纤维，大能量

一、碳纤维到底是什么

碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）是由聚丙烯腈（PAN）（或沥青、粘胶）等有机母体纤维采用高温分解法在1000摄氏度以上高温的惰性气体下碳化（其结果是去除除碳以外绝大多数元素）制成的，是一种含碳量在95%以上的无机高分子纤维。

碳纤维是一种强度高、重量轻、力学性能优异的新材料。由于碳纤维及其复合材料优异的综合性能及高附加值，被称作是21世纪的“黑色黄金”。在国防军工及民用领域均具有广泛的应用前景，是发展国民经济的重要战略物资。

二、碳纤维分类

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点，并具有很强的抗压抗弯性能，其生产工艺较其他方法简单，一直在增强复合材料中保持着主导地位。由聚丙烯腈纤维原丝制得的高性能碳纤维，产量约占全球碳纤维总产量的90%以上。

三、碳纤维复合材料

碳纤维复合材料主要是以碳纤维为增强材料，以树脂，金属、陶瓷灯作为基体材料，经过复合制成的结构或功能材料。

目前碳纤维复合材料以树脂基复合材料（CFRP）为主，占全部碳纤维复合材料市场份额的90%以上。

四、世界碳纤维行业发展历史

五、碳纤维制作工艺流程

六、碳纤维复合材料的应用

碳纤维被喻为是当今世界上材料综合性能的顶峰，是21世纪的黑色革命，是适应宇航、航空、原子能等尖端工业发展的需要而研制开发的一种新材料。

碳纤维作为高性能纤维的一种，碳纤维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。

工业：

近几年来碳纤维在宇航领域中应用萎缩，在工业应用的市场不断看好。与宇航和体育休闲用品相比，工业应用对于碳纤维的需求在不断增长。基础设施、油气开采、压力容器、复合材料辊子、航海构件等应用不断开发，使碳纤维在这个领域的应用持续增长。

医疗器械

在医疗器械领域，利用其X射线全透射性，其被用于制造X光检查仪用移动平台；利用其优异的机械性能，其被用于制造骨科用和器官移植用等医疗器械，以及制造假肢、矫形器等康复产品。

汽车轻量化

在交通领域，碳纤维扩大应用的最大希望在于汽车业。随着排放标准趋严及低碳生活被人们普遍接受，节能减排已成为汽车工业的重要研究课题，在能源革新有限的情况下，轻量化是解决问题的关键之一。 碳纤维具有比模量和比强度高、减重潜力大、安全性好等突出优点，是汽车轻量化最佳选择。

目前碳纤维复合材料已获得应用或正在研究开发应用的领域主要包括：飞轮、压缩天然气贮罐、燃气透平部件、刹车装置，其它部件如蓄电池、活塞、传动轴、弹翼、大梁等。

体育休闲

亚洲用于生产体育休闲用品碳纤维的消耗量是世界上最高的。在亚洲特别是中国正越来越多地生产管状复合材料件，像高尔夫球杆和网球拍等，其它还包括箭杆、钓鱼竿、自行车架、船桨、滑雪工具、棒球棒、公路赛车、竞技墙等体育用品。

航空航天

预计到2020年，航空航天用碳纤维达到27千吨。 碳纤维将在航空航天领域以多种应用趋势成为喷气飞机发动机、涡轮发动机、涡轮等主要的结构材料。民用领域，世界最大飞机欧洲空客 A380使用的复合材料是结构重量的25%，碳纤维复合材料占结构重量的22%；空客A350碳纤维复合材料的占比达到了52%；美国波音B787复合材料质量比例高达50%，机身、尾翼采用碳纤维层合结构，升降舵、方向舵保留碳纤维夹芯结构； 中国商飞C919第一阶段采用10%-15%的碳纤维复合材料，第二阶段将采用23%-25%碳纤维复合材料，与俄罗斯合作的C929预计将达到50%。

导线电缆

复合材料芯材铝导线以复合材料芯材替代金属芯材，为解决架空线弧垂问题开辟了更有效的技术途径。2005年，美国CTC公司首次推出商业化的导线产品，其研制生产的新型导线的强度是同等质量钢芯铝导线的2倍、传输的电流容量是其他芯材铝导线的2倍、线损较其他芯材铝导线降低了25%~40%，其高容、高效和低弧垂等性能远远超越了其他材质芯材铝导线。

能源领域：

用高性能碳纤维纸制作质子交换膜――燃料电池（PEMFC）的气体扩散层电极材料，已经得到各燃料电池制造商的认同，从而得到很快发展。 能源和贮能方面，像风力发电叶片、飞轮、电池等应用也不断扩大。

轨道交通

CFRP是新一代高速轨道列车车体选材的重点，它不仅可使轨道列车车体轻量化，还可以改进高速运行性能、降低能耗、减轻环境污染、增强安全性。当前，CFRP在轨道车辆领域的应用趋势：从车箱内饰、车内设备等非承载结构零件向车体、构架等承载构件扩展；从裙板、导流罩等零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型结构发展；以金属与复合材料混杂结构为主，CFRP用量大幅提高。

土木工程：

在土木建材领域中，水泥的用量最大，但水泥有脆性大、抗拉强度低等缺点。为了改善这些弊端，人们利用碳纤维的力学特性，用混凝土或水泥做基体制成碳纤维增强复合材料。随着碳纤维成本的降低与复合材料制造技术的发展，土木建筑领域已然成为碳纤维复合材料应用的新市场。

目前的主要应用形式：复合材料棒材、纤维增强胶接层板、碳纤维增强混凝土、碳纤维加固材料等。

七、碳纤维应用于加固领域

碳纤维布加固原理：

采用高性能的碳纤维配套树脂浸渍胶粘结于混凝土构件的表面，利用碳纤维材料良好的抗拉强度，达到增强构件承载能力及强度的目的。

碳纤维布的应用：

结构构件的抗拉、抗剪和抗震加固，该材料与配套浸渍胶共同使用成为碳纤维复合材料，可构成完整的性能卓越的碳纤维布片材增强体系，适用于处理建筑物使用荷载增加、工程使用功能改变、材料老化、混凝土强度等级低于设计值、结构裂缝处理、恶劣环境服役构件修缮、防护的加固工程。