1.前言
（元琛科技）碳纖維指的是含碳量在90%以上的高強度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首。用腈綸和粘膠纖維做原料，經高溫氧化碳化而成。

材料特性：碳纖維主要由碳元素組成，具有耐高溫、抗摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性，外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨微晶結構沿纖維軸擇優取向，因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復合，制造先進復合材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是最高的。

現在碳纖維的主要產品有聚丙烯腈基，瀝青基及黏膠基3大類，每一類產品又因原纖維種類、工藝及最終碳纖維性能等不同，又分成許多品種。"碳纖維"一詞實際上是多種碳纖維的總稱，因此分類及命名就十分重要。

2.主要產品

根據前軀體原料的不同，碳纖維可分為聚丙烯腈基(PAN)、瀝青基和粘膠基碳纖維等。由于粘膠基碳纖維在制備過程中會釋放出毒性物質二硫化碳，且工藝流程長、生產成本高、整體性能不高，因此目前在國際碳纖維產業領域，前2種碳纖維獲得了更大規模的生產和應用。其中，PAN基碳纖維又占據絕對優勢，國際市場占有率超過90%。PAN基碳纖維的9大生產商包括:日本東麗工業株式會社(簡稱“東麗”)、日本東邦化學工業株式會社(簡稱“東邦")、日本三菱麗陽株式會社(簡稱“三菱麗陽”)、美國赫氏有限公司(Hexcel)、美國氰特工業公司(Cytec)、美國卓爾泰克公司(Zoltek， 已被東麗收購)、臺灣塑料工業股份有限公司(簡稱“臺塑")、土耳其阿克薩集團( AKSA)和德國西格里碳素集團( SGL)。瀝青基碳纖維的生產和應用居其次，主要生產企業3家，分別是Cytec、三菱麗陽和東麗。

PAN基碳纖維分為小絲束(1~24K)和大絲束(36K 及以上)2類。全球小絲束碳纖維市場主要被東麗、東邦、三菱麗陽3家公司所壟斷，而來自中國、土耳其和韓國的企業，正不斷擴充小絲束的全球產能，同時也降低了3家日本公司的市場份額。大絲束碳纖維生產商主要有Zoster、SGL和三菱麗陽3家。另外，中國藍星(集團)總公司英國分公司擁有大絲束碳纖維原絲的供應能力，Cytec 于2014年與德國Dormagen的腈綸纖維生產商DralonGmbH公司合作開展低成本大絲束碳纖維的研制開發。預計在未來10年中，其他制造商也會陸續加入大絲束碳纖維生產領域。

為滿足高速發展的航空航天與汽車市場對碳纖維的需要，幾乎所有的碳纖維巨頭都宣布了擴產計劃。例如，東麗擁有以日本本土為核心的日美法韓4個生產基地，目前已形成11000 ~12000 t /a的T700S和4500 t /a的T800碳纖維生產能力，并宣布PAN基碳纖維的總產能于2015年達到27 100 t ,2020年擴大至50000 t。另外，Hexcel 在歐洲大幅度擴產，三菱在美國與本土擴產，Cytec 已經基本完成美國的雙倍產能擴產計劃，SGL也在美國接連擴產。各企業的碳纖維生產已基本實現了全球布局，為進一步實現從原絲到下游復合材料制品的全產業鏈一體化協調發展奠定了硬件基礎。

3.性能
（1）力學性能
碳纖維復合材料拉伸強度高，模量大，密度小，具有較高的比強度和很高的比模量。與傳統金屬材料相比，碳纖維復合材料質量輕，強度高，韌度高，具有明顯的優勢。與同為新型材料的硅基纖維復合材料相比，碳基纖維的拉伸強度約為其3-7倍。碳基纖維的彈性模量高于硅基纖維，所以碳纖維復合材料在相同外載荷下，應變較小，其制件的剛度比硅基纖維復合材料制件高。高模量碳纖維的斷裂伸長率約為0.5%，高強度碳纖維的約為1%，硅基纖維約為2.6%，而環氧樹脂的約為1.7%，所以碳纖維復合材料中纖維的強度能得到充分的發揮。

由于碳纖維的脆性很大，沖擊性能差，所以碳纖維復合材料的拉伸破壞方式屬于脆性破壞，即在拉斷前沒有明顯的塑性變形，應力應變曲線為直線，這一點與玻璃纖維相似，只是模量高于、斷裂伸長率低于玻璃纖維。碳纖維復合材料的耐高低溫性能好。在隔絕空氣（惰性氣體保護下），2000°C仍有強度，液氮下也不脆斷。

（2）耐腐蝕性
碳纖維復合材料除了能被強氧化劑如濃硝酸、次氯酸及重鉻酸鹽氧化外，一般的酸堿對它的作用很小，比硅基纖維復合材料具有更好的耐腐蝕性。碳纖維復合材料不像硅基纖維復合材料那樣在濕空氣中會發生水解反應，具有好的耐水性及耐濕熱老化特性。此外還具有耐油、抗輻射以及減速中字運動等特性。

4.碳纖維復合材料的應用

碳纖維復合材料憑借其優良的性能，已經在各個領域得到廣泛的應用，主要有航空航天、汽車、結構加固工程、新能源開發、休閑用品等。

（1）航空航天

碳纖維復合材料最初主要應用于航天業，因為發射航天器的成本與重量成正比關系，所以如何在保證航天器性能的同時減輕其重量成為最重要的問題。碳纖維復合材料具有高比強度、高比模量、使用溫度范圍高這些優點而在航天產業得到深入的應用，從航天器的外殼、內設、結構以及航空發動機幾乎都是采用碳纖維復合材料制作而成。近年來，隨著碳纖維復合材料制造成本的下降，軍用航空飛機和民用航空飛機方面也開始大規模使用該材料以大幅度減輕機體機構質量、改善氣動彈性提高飛機的綜合性能。根據美國復合材料制造商協會統計，2001年世界上飛機生產對碳纖維的需求量約為900-1000t。

據統計，目前，碳纖維復合材料在小型商務飛機和直升飛機上的使用量已占70％~80％，在軍用飛機上占30％~40％，在大型客機上占15％~50％。以美國波音公司的B777為例，碳纖維復合材料在該型號飛機上的使用比例達到9%，這些先進復合材料主要應用在飛機尾翼、襟翼、副翼、天線罩、整流罩、短艙和地板梁等構件，具體包括：垂直安定面翼盒、平尾翼盒、方向舵、升降舵、前后緣壁板、地板梁、外側副翼、外側襟翼、襟翼、襟副翼、整流包皮、內外側擾流板、后緣壁板、發動機短艙、發動機支架整流罩、前起落架艙門、固定前緣、雷達天線罩等。

（2）汽車

目前，世界每年生產乘用車5千萬輛，若包括卡車和公共汽車為7千萬輛，隨著中、印等國汽車工業的快速發展，不久世界汽車的年產量確可能超過1億輛。另外，目前世界PAN-CF的年產量只有數萬噸，由于CFRP成本高、難加工、成型速度慢及還受再生問題的限制，只能用于航空航天、體育用品和工業產業領域，要想用于汽車上，最重要的是盡快開發適用于熱塑性樹脂（如聚丙烯等）的具有表面活性的CF以及其CFRTP超高速成型技術和二次加工技術，其次當CF需求量超過百萬噸時，就要求開發以生物質為原料的CF，盡管目前還有一定難度。再次，當達到這么大規模時，需要開發CFRP的再生和CF高度再利用技術，還要解決這些材料和有關成型加工的評價和標準化問題。（元琛科技）