高性能纤维材料之一碳纤维

碳纤维是20世纪60年代初发展起来的一种含碳量大于90%的纤维材料，它既有碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，又具有纺织纤维的可加工性。

美国联合碳化物公司（UCC）于1959年开始最早生产粘胶基碳纤维，五六十年代是粘胶基碳纤维的鼎盛时期，虽然时期已开始衰退，但是它作为耐烧蚀材料至今仍占有一席之地。1959年，日本研究人员发明了用聚丙烯腈（PAN）原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道，PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流，产量占世界总产量的90%左右。1974年，美国联合碳化物公司开发了高性能中间相沥青基碳纤维Thornel-35的研制，并取得成功。目前Thornel-P系列高性能沥青碳纤维仍是最好的产品，这样就形成了PAN基、沥青基和粘胶基碳纤维的三大原料体系。由于PAN基的碳纤维在强度上要优于沥青基、粘胶基碳纤维，在全世界的碳纤维生产中占有75%的比例，具有绝对性的压倒优势。 当生产聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的时候，被称为“母体”的聚丙烯腈纤维首先要通过聚合和纺纱工艺加工聚丙烯腈而成。然后，将这些母体放入氧化炉中在200到300摄氏度进行氧化。另外，还要在碳化炉中，在温度为1000到2000摄氏度间进行碳化制成碳纤维。 碳纤维按照用途可分为两类：1、24K以下的为宇航级小丝束碳纤维（1K的含义为一条碳纤维丝束含1000根单丝），2、48K以上为工艺工业级大丝束碳纤维。

在军工领域，战略导弹飞行中温度极高，只有碳/碳复合材料才能满足需要；而且战略导弹固体火箭发动机和弹头重量每减1公斤，射程便可大增。大飞机使用大量碳纤维可节油20％，并提高安全性和总装效率；2009年，海卫（美国）一举并购了美国著名的全碳纤维飞机公司———美国亚当飞机公司。海卫接手后，目前已经新设计出2款最新一代全碳纤维飞机，堪称世界领先。

汽车结构材料部分改用碳纤维可大量减重，而且节油减排、抗冲击、动力增强。老牌英国超跑品牌迈凯伦使用碳纤维构件已经有30年的历史，1981年推出的F1赛车MP4/1就引入了碳纤维的赛车车身；1993年推出的迈凯伦F1首次在公路车上采用了碳纤维的底盘，而最新一代的MP4-12C则采用了迈凯伦独立设计的碳纤维底盘。 更广泛的，在电力输送（碳纤维复合芯导线）、能源、建筑、通信、环保等各领域，碳纤维均能觅得其身影，即使时尚的电子产品，也已经采用碳纤维作为外壳材料。预计到2015年工业市场的应用份额将达65%以上。

目前国内碳纤维发展面临两个瓶颈，一是原丝技术，二是碳化炉。碳纤维不能通过碳元素如石墨直接生产，而主要依赖有机高分子纤维炭化，再去除非碳元素，使之形成高度结晶的石墨结构。尽管国内发展了几十年，但只能小规模(200~300 吨)生产T300的碳纤维，对于高强碳纤维T800、T1000，国内尚无生产能力，这主要是国内欠缺高性能原丝与先进的碳化炉。 技术方向上，国内企业一般采用聚丙烯腈为原料，从产业链看，碳纤维生产经历由原丝（PAN）生产再到预浸料再到具体终端产家的过程。目前，原丝的售价是40元～50元/公斤，碳纤维为200元/公斤，预浸料为500元/公斤，每一级的深加工都有高幅度的增值。 我国碳纤维的消费结构与日本类似，多集中在体育休闲用品领域，未来的发展重点是新兴工业应用领域，其中风力发电机叶片、建筑材料、汽车、压力容器和高压输电线潜力很大，仅风机叶片对碳纤维的需求到2020年预计就将达到万吨级。 在市场需求再加上政府关注、国防需求等因素的刺激下，近年来我国出现了前所未有的碳纤维产业化建设热潮。截至目前，我国在碳纤维产业的投资额已经达到90亿元（含部分复合材料制品产能），其中政府投资约占10%。

 

目前，国内企业面临两大问题，其一：产能的急剧增加可能导致需求爆发前的短期过剩，截止10年5月，在建碳纤维产能可能达已建成碳纤维产能的近6倍，计划建设的碳纤维产能则更大。中国石油、中国石化、中国化工、中国建材等大型央企都已介入。 其二，面临着国外低价优质进口产品的强力竞争。日本东丽的T700产品进入中国后的价格为160元/kg，而国内一家大型碳纤维企业的生产成本就达到160元/kg。因而，中国的碳纤维产业仍处于“产业化起步”阶段。