碳纤维主题汇总

搬运工A

碳纤维综合系列专题【一】  碳纤维制造原理

近年来，碳纤维笔记本电脑、碳纤维自行车、碳纤维网球拍等一系列碳纤维产品走进了寻常百姓家，使得“碳纤维”成为了大家最耳熟能详的新材料之一。除了频繁现身于日常用品，碳纤维还被应用在汽车、航空、航天、船舶、能源等高新产业。可以说，几乎在所有的军事和民用领域中都可以看到碳纤维的身影。本期专题将为大家揭开碳纤维制造的神秘面纱。

碳纤维应用在空客A380客机上

什么是碳纤维？

      回答这个问题前，我们先了解一下什么是碳纤维。碳纤维(carbon fiber)，顾名思义，就是由碳元素组成的纤维，含碳量高于90%。在微观上，碳纤维的结构和石墨有点相似，都是由层状的碳片状晶体组成。这些碳片状晶体有一个名字，叫做石墨烯。它只有一层原子厚度，面内的碳原子呈六角形排列，类似于蜂窝的形状。这种独特的原子排列结构，使得石墨烯成为最强韧的材料。在石墨中，这些碳片状晶体非常有规则地层叠起来；然而，在碳纤维中，这些碳片状晶体并不总是那么规则，有时候碳片状晶体可能出现相互交错情形。

       碳纤维的微观结构使其具有许多优良性能，在保持密度低的前提下，获得很大的轴向强度和杨氏模量，同时，碳纤维具有很好的耐超高温性，耐疲劳性和耐腐蚀性，以及良好的导电导热性能。这些优良的特性，是保证其在各领域中得到应用的前提。

石墨烯(左)和石墨(右)

如此性能良好的碳纤维是怎样制成的？

　　尽管碳纤维主要由碳组成，微观结构也和石墨非常接近；然而，人们至今还不能直接用碳或石墨来制取碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维原料，将有机纤维与塑料树脂结合在一起炭化制得碳纤维。

      被选用来制备碳纤维的有机纤维主要包括：聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维等，其中应用较普遍的是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。选用不同的有机纤维作为原料，对具体的工艺参数会有不同的要求，制备出来的碳纤维的性能也会有一定的差异。然而，在这过程中，普遍需要经历纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、氧化、碳化四个过程，其间伴随着脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等化学变化。经过这些过程以后，我们就可以得到碳纤维的原丝。

      然而，制备出原丝并不意味着制备碳纤维的过程就结束了。制备出原丝后，还需要经过上浆和固化的过程。所谓的上浆就是将原丝和环氧树脂混合的过程。上浆过程使用的方法可以很多，可以通过自动放置机械会将碳纤维浸泡在环氧树脂中，也可以人工地将环氧树脂和其他高分子与碳纤维混合起来。上浆结束后，就需要经过最后的一个程序，那就是固话。固化过程常用到的方法是加热，或者将环氧树脂放在真空中加压。固化主要是让包裹了环氧树脂的碳纤维硬化；此外，在固化过程中，碳纤维可能会发生化学反应，生成原丝材料中不含碳的物质，导致纤维颗粒之间的团聚作用力更加强。这时候，碳纤维的产品就真正做好了。

                                                  碳纤维车身

       经过本期的专题介绍，相信大家对于碳纤维是如何被制造出来有了一个感性的认识，欢迎大家就本期专题跟帖讨论。下期专题为碳纤维发展历史。

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碳纤维综合系列专题【二】  碳纤维发展历史

只有人们产生了某种需求，才能去认识并制造出一种材料。同样碳纤维最早是为了满足制造优良的灯丝的要求应运而生的。

       1860年，英国人约瑟夫·斯旺将细长的绳状纸片碳化制取碳丝，并以此制作电灯的灯丝，但这项发明未能成功。至1879年，美国人爱迪生将油烟和焦油的混合物做成丝，再碳化制成灯丝，并解决了电灯的相应使用问题，碳丝才在电灯上得到应用。虽然这种碳纤维最终被钨丝等材料所代替，但是它的特点比如密度小，模量高，耐酸碱，耐氧化是以往的材料所不能比拟的，后来人们不断探索用其它方法来制造碳纤维。

约瑟夫·斯旺在做实验

       20世纪50年代，美国为了研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机的性能，急需新型结构材料和耐烧蚀材料，使得碳纤维重新出现在新材料的舞台上。

       美国最先开发出粘胶基碳纤维，应用于耐烧蚀和隔热材料。由于在航空和军事方面的大量应用及性能的不断提升，使得粘胶基碳纤维在一段时间里处于鼎盛时期。但后来陆续开发出更优越的碳纤维，粘胶基碳纤维的产量减少了。

海上突防

       粘胶基碳纤维发展的同时，在1959年，日本大阪工业试验所的近藤昭男发明了利用聚丙烯腈纤维制造碳纤维的新方法。这一创新促进了碳纤维工业的大发展，成为当前碳纤维的主流。他发明了生产碳纤维新的技术路线，但是并不能制造出高性能的PAN基碳纤维。1963年，英国航空研究所（RAE）的瓦特（W.Wat）等人在预氧化过程中施加张力，抑制原丝在热处理过程中的收缩，奠定了现代生产PAN基碳纤维的工艺基础。约翰逊（W2Johnson）等人改进预氧化装置，他们打通了制造高性能PAN基碳纤维的技术路线。

      1965年，日本群马大学的大谷衫郎研制沥青基碳纤维，并获得成功。使得沥青成为生产碳纤维的新原料，并成为当前碳纤维领域仅次于PAN基碳纤维的第二大原料路线。1970年，日本吴羽化学工业公司生产的通用级沥青基碳纤维上市。1975年，UCC开始高性能中间相碳纤维“Thomel-P55”的研制，并取得成功。目前Thomel-P系列高性能沥青碳纤维仍是沥青基碳纤维中最好的产品。

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

       碳纤维从诞生发展至今，经历了几起几落。这既是优胜劣汰促进碳纤维工业发展的必然规律，也是市场经济的无情裁决。20世纪60年代PAN基碳纤维的研制中心在英国，并且得到了很大的发展。但是在激烈的市场竞争中，因为种种原因，碳纤维的研制和生产中心发生转移。目前世界PAN基碳纤维生产厂商主要集中在日本和美国。日本三大碳纤维生产商东丽集团、东邦集团和三菱集团为最大的生产商，三家公司合计产能占全球产能的70%以上。其中东丽集团的产能最大，并且主要集中在高性能的小丝束的生产。同时东丽的碳纤维的性能一直处于前列，堪称是碳纤维行业的领头羊。其最早开发出的T300系碳纤维强度达到3.54Gpa，现在已逐步要被强度为4.92GPa的T700系碳纤维代替。

活用轻、高强度、不生锈这样的特性，作为取代铁的新型建材而备受注目

       到了21世纪初，聚丙烯腈碳纤维工艺生产技术已经成熟。现在已分化成为大丝束碳纤维生产和小丝束碳纤维生产两大种类。大丝束生产对前驱体要求较低，产品成本低，较适合一般民用工业使用和产品开发。小丝束生产追求高性能化，代表碳纤维发展的先进水平。对于高性能PAN基碳纤维，美、日等发达国家均极为重视，在研发、生产方面给予经费、人力上的大力支持，并获得成功。

       碳纤维发展历史暂时先给大家介绍到这里，欢迎大家就本期专题跟帖讨论，下期专题为碳纤维特性分析，敬请关注。

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碳纤维综合系列专题【三】  碳纤维特性分析

碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,是一种的力学性能优异的新材料。在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，被称为新材料之王。具体特性可归纳如下：

(一)轻质、高强度、高模量

       碳纤维的密度是1.6~2.15g/cm3,碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上，拉伸模量在230GPa以上。因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。

碳纤维水陆两栖飞机

(二)热膨胀系数小

       绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室温为负数(-0.5~-1.6)×10-6/K，在200~400℃时为零，在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可作为标准衡器具。

(三)导热性好

      通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。

碳纤维结构太阳能驱动飞机可实现5年持续巡航

(三)耐化学腐蚀性好

       从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对各种酸、碱和有机化学药品都很稳定，可制成各种各样的化工防腐制品。我国已开始从事这方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广。

仿生“水泡”碳纤维复合材料建筑

(三)耐磨性好

        碳纤维与金属对磨时，很少损耗，用碳纤维来取代石棉制成高级的摩擦材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料等。

高性能碳纤维制动/刹车片

(六)耐高温性能好

      碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时仍无太大变。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右；陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料已广泛用于航空航天工业。

(七)突出的阻尼与优良的透声纳

       利用这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声纳导流罩等。   

         

(八)高X射线透射率

       发挥此特点已在医疗器械中得到应用。

碳纤维医疗床板

(九)疲劳强度高

        碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环试验后，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻璃钢则只有20%~25%。因此设计制品所取的安全系数，碳纤维复合材料为最低。

碳纤维复合材料

      随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐，对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。

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碳纤维综合系列专题【四】碳纤维产业链

既坚如磐石，又韧如发丝，它是自古以来人类在材料领域孜孜以求的品质。

　　碳纤维简介

　　碳纤维(carbon fiber，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。

　　性能优势：

　　· 低密度、高比强度、高比模量

　　· 耐疲劳、抗蠕变、耐磨损

　　· 耐腐蚀、低热膨胀系数、高热导率

　　· 低电阻率、生物相容、减震降噪

　　碳纤维分类

　　◇ 根据原料来源可分为：

　　目前，市场上90%以上的是聚丙烯腈(PAN)基碳纤维。

　　◇ 根据丝束大小可分为：

　　大丝束

　　工业级

　　每束碳纤维的根数等于或大于46000-48000根。

　　一般指48~480K

　　价格便宜。

　　小丝束

　　宇航级

　　每束碳纤维的根数小于或等于24000根。

　　一般指1~24K

　　价格较高。

　　注：1K是指每束碳纤维有1000根单丝。

　　PAN基碳纤维生产流程

　　碳纤维生产厂商

　　中钢吉炭、中简科技、吉研高科、大连兴科、江苏恒神、中石油吉林石化、沈阳中恒、威海拓展、天华溢威、中复神鹰、金发科技、上海石化

　　日本东丽(Toray)、日本东邦特耐克丝(TohoTenax)、日本三菱丽阳(Mitsubishi Rayon)、美国赫氏(Hexcel)、美国BP Amoco、台湾塑胶工业(Formosa Plastics)、美国福塔菲尔(Fortafil)(2004年被东邦收购)、美国阿尔迪拉(Aldila)(2013年被三菱丽阳收购)、德国爱斯奇爱尔(SGL)、美国卓尔泰克(Zoltek)(2013年被东丽收购)、美国氰特(Cytec)、韩国晓星(Hyosung)。

　　全球碳纤维行业集中度

　　全球大丝束碳纤维行业集中度

　　全球小丝束碳纤维行业集中度

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碳纤维综合系列专题【五】中国碳纤维市场现状

目前国内大小碳纤维生产企业近40 家，2010 至2014 年期间，我国碳纤维产能从6445 吨增至15000 吨，增长了2 倍，年均增长23.5%；产量从1500 吨增至3700 吨，增长了2.5 倍，年均增长25.3%。目前我国生产的碳纤维全部为小丝束，其中12K 占比超过了90%。我国的碳纤维产地主要集中在山东、江苏和吉林。

国内企业碳纤维原丝产能（吨）

国内企业碳纤维产能（吨）

    在单线产能方面，和国际比较国内仍处在落后位置。国际最大的单线产能为2700 吨，我国引进生产线单线能力仅为1000 吨，只是国际产能的37%。虽然目前国产装备的单线生产能力也可以达到1000 吨，但大多不能进行满负荷生产，因此在规模效益上和国际竞争相比没有优势。

国内和国际单线产能对比（吨）

    从产品上来看，国内的T300 系列基本可以达到国际水平，军工应用领域较为成熟，民用市场逐渐开拓。T700 级高性能碳纤维突破了干喷湿纺工艺， 产业化生产及应用逐步加快。T800 级碳纤维已经小批量试产，但还尚未完全实现产业化。MJ 系列高性能碳纤维已经突破关键制备技术。

国内与日本东丽碳纤维产品系列对比

    近年来，碳纤维需求保持了快速增长，2015 年全球碳纤维需求近6万吨， 预计到2020 年，将达到9万吨。国内碳纤维发展迅速，2015 年需求达到1.1万吨，预计到2020 年需求总量将达到2.5万吨。需求的增长主要来自于下游汽车、航空以及风电领域的拉动，未来五年时间内，我们保持乐观态度， 碳纤维市场将持续成为投资热点。

全球碳纤维需求快速增长

国内碳纤维需求将迎来放量增长

    目前，碳纤维的工艺技术在部分产品上已经比较成熟，1 公斤碳纤维成本大概在21.80 美元左右。拆分来看，原丝制造的成本占比最高，占到了总成本的51%，由于其耗时冗长，并需要高温的预氧化处理，所以国际上的低成本生产路线主要是针对这两大领域采取措施。

碳纤维成本分解

    我国稳定生产一个级别的碳纤维后，该级别的碳纤维价格就回出现比较明显的下降。例如T300 级系列产品从2010 年的24万元/吨下降至2012 年的12万元/吨。另一方面，碳纤维的原材料丙烯腈出厂价从最高点21500 元/吨下降至目前的9200 元/吨。虽然产品价格的下降有利于我国下游碳纤维应用企业的发展，但却对我国碳纤维生产厂商造成了巨大的成本压力。随着碳纤维制备技术的日益成熟，产品价格下降的趋势还将继续，因此国内企业要想跟上国际领先的步伐，必须在成本控制上下足功夫。

丙烯腈出厂价格趋势性下跌（元/吨）

碳纤维不同产品价格

    从目前的情况来看，中国的T300 级碳纤维产品已经达到上万吨级别，T700 级产品达到2000~3000 吨，T800 级产品的产能在百吨级左右，大概两三百吨。随着中复神鹰千吨级T800 碳纤维生产线投产，中国在T800 级产品上也达到了千吨级的产能。

    日本一直处于碳纤维领域的领先地位，2014 年开发出T1100G 产品，相较于此前已被广泛应用的T1000G、T800S 等现有碳纤维，大幅度的提高了碳纤维的性能。日前，日本东丽透露正在研究T2000 级别碳纤维，强度可以达到60GPa，是T1000 级碳纤维强度的十倍。T2000 碳纤维在聚合过程中不适用引发剂，利用辐照引发聚合，可以避免杂质的掺入，而这一点国内几乎没有深入研究。日本东丽目前能将碳纤维CV 值降低至0.1，而我们国内碳纤维的CV 值在5 左右，远远赶不上东丽碳纤维的稳定水平，因此未来碳纤维产品的稳定性、高端化是我国的发展方向。

碳纤维不同产品性能及用途对比

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碳纤维综合系列专题【六】F1赛车上的碳纤维

F1是每个男人心中的圣地，那里有着无数传奇、鲜花和香槟，最重要的还有着世界上最快的赛车。

　

　　
无论是车身还是动力，这些F1赛车和普通的民用车有很大差异。今天我们就来聊一聊F1赛车独特的碳纤维车身，以及这种材料在民用车上使用的可能性。
　

　　　　　　　　

　　碳纤维单体壳历史

　　单体壳技术由来已久，早在1923年法国GP赛场上，被称为航空工程和汽车设计制造先锋的路易·布莱里奥就发布了由他设计的单体壳式结构的赛车。但直到1962年，在莲花25赛车上，它才第一次将质量轻、强度高的优势真正展现出来。技师的做法是用铆钉加固的轻金属壳体替代传统的管状框架座舱，这也是引入F1赛坛的第一具单体壳。在次年吉米-克拉克就驾驶着莲花25获得了七个分站赛的胜利，并最终获得了年度总冠军。

　　有趣的是，据资料记载，莲花汽车创始人柯林·查普曼和当时负责莲花赛车底盘设计的迈克·考斯丁在一次会面中用餐巾纸描绘了最初的单体壳车身构想。伟大竟然发生在了一张餐巾纸上！

至于说碳纤维材料在F1赛车上的运用那就又是另一个传奇了—1981年一级方程式迈凯伦 MP4/1。

　　虽然此前该材料多次应用于小组件中，但MP4/1才是第一个真正意义上将碳纤维复合材料应用于整个底盘设计的赛车。通过增加相关材料链轴部位的负荷，碳纤维复合材料赛车的刚度重量比大大提高了，这让赛车变得更轻、更快、更安全了。在此之后，这种使得赛车变得更轻、更快、更安全的材料再也没有离开过F1赛场了。

有趣的是，由于在F1中优异的表现，这种材料受到了美国相关机构的重视，他们希望将这种材料作为覆盖材料用于武装直升机机身底部，以承受地面火力攻击，民用走向军工也是一段佳话了。

　　碳纤维单体壳原理是什么？

　　对于碳纤维单体壳原理的解释，这里有种比较生动的解释，那就是鸡蛋壳。据实验分析，当鸡蛋受力均匀时，一个鸡蛋可以承受近30Kg的力，而一个鸡蛋也就60g左右。曾在1989年，日本爱知县市民春日井市就采用了在汽车前轮各用34个鸡蛋，后轮各用52个鸡蛋的方法支承起了一辆大卡车。

　    为什么蛋壳能够承载比自身重量大得多的重量呢？其实蛋壳是一种多孔固体，具有夹层结构，有着高比强度、比刚度以及整体轻量化的特点。作为一种薄壳结构，在受到外力作用下，能把力沿着整个壳体表面向四周均匀传递，壳体上并不存在作用力集中在某一个地方的情况，单位面积受到的力并不大。

　　事实上，单体壳技术就是蛋壳原理的仿生应用。它不同于传统车身利用内部框架结构进行承载的方式，而是通过壳体表面来进行承载，车身上其他零部件直接与单体壳连接。这带来的好处是车身重量大大降低，承载重物的作用力均匀分散到每一个面，这获得了传统承载式结构所无法比拟的扭转刚度。

　　此外由于碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa也高于钢。这进一步强化了这种结构带来的优异性能。

　　民用使用的可能性

　　目前，民用车中使用碳纤维材料结构并不多，多是集中在一些跑车上，并且多数跑车都沿用了F1赛车传统的布置方式，碳纤维单体壳作为承载结构和连接件而存在。但这终归只是富人的玩具，具有碳纤维单体壳结构的汽车往往价格十分昂贵，比如说迈凯伦570S Coupe、法拉利-LaFerrari等都是采用这种结构。

　　大家对这种材料的使用持消极态度，是因为这种材料的造价高、工艺难度大、维修成本高以及使用寿命不高等，说到底其实就是成本的问题。如何降低成本是这项技术得以走向民用车的关键所在。

　　随着近些年国内外对碳纤维材料的关注度大大提高，这项技术得到了很多的的政策和资金红利，发展速度相当之快。以国内为例，目前就有不少企业在T300碳纤维方面具备了产业化生产能力。2005年全球碳纤维市场仅为9亿美元，而2013年达到100亿美元，预计到2022年有望达到400亿美元，碳纤维复合材料的应用也将进入全新的时代。

　　可以看到这种材料的发展势头十分凶猛，投入往往决定结果，加之原料加工壁垒并不大，所以降低原材料成本并非不可行。

　解决了原材料成本问题，再就是加工成本问题。不同于传统的编织成型工艺、拉挤工艺、纤维缠绕成型工艺等等，现在出现了很多新式的成型方法，比如说就有某些公司采用了热塑性碳纤维工艺，可以将发动机盖一次整体成型，并大大提高了产品的强度和精度，解决了汽车碳纤维制件批量化的问题，综合成本相对会于镁铝合金还降低30%左右。

　　说了这么多，大多都是一些前景式的证明，我们可以来看看现在已经出现的廉价车型。比如说国产车型奕代T300，作为一款三轮电动跑车，车身采用了复合材料制作的单体壳车身，整车售价不到12万元。

　　从外表上看它虽然没有采用碳纤维材料，但是车身采用了单体壳式结构，可以看到单体壳结构是可以应用于普通民用车中的，现在来说亟待解决的就是材料问题，特别是碳纤维材料，但历史往往是相似的，就好像第一个应用在F1赛车上的单体壳是使用铝制材料一样，或许在不久的将来，碳纤维材料可以使用在廉价车型中。

　　小结

　　碳纤维单体壳作为一种质量轻、强度大、安全性高的车身结构，被广泛应用于性能车中，虽然时至今日，该技术短期内还无法完全在民用车中得到普及，但已是汽车轻量化发展的主流方向之一，相信距离其技术下放的时刻已经不再遥远了。