1、 碳纖維結構

    用X-射線、電子衍射和電子顯微鏡研究真實的碳纖維結構發現，碳纖維屬于亂層石墨結構 ， 基元是六角形碳原子的層晶格，由層晶格組成層平面。在層平面內的碳原子以強的共價鍵相連， 其鍵長為0.1421 nm；在層平面之間則由弱的范德華力相連， 層間距在0.3360 ～ 0.3440 nm之間；層與層之間碳原子沒有規則的固定位置， 因而層片邊緣參差不齊。

    碳纖維結構示意圖

    2、碳纖維特性

    碳纖維是纖維狀的碳材料， 由有機纖維原絲在1000℃以上的高溫下碳化形成， 且含碳量在90%以上的高性能纖維材料。碳纖維主要具備以下特性：

    ①密度小、質量輕， 碳纖維的密度為1.5~2 g/cm3 ， 相當于鋼密度的1/4、鋁合金密度的1/2；

    ②強度、彈性模量高， 其強度比鋼大4~5倍， 彈性回復為100%；

    ③熱膨脹系數小， 導熱率隨溫度升高而下降， 耐驟冷、急熱， 即使從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會炸裂；

    ④摩擦系數小，并具有潤滑性；

    ⑤導電性好，25℃時高模量碳纖維的比電阻為775μΨ/cm， 高強度碳纖維則為1500μΨ/cm；

    ⑥耐高溫和低溫性好， 在3000℃非氧化氣氛下不熔化、不軟化， 在液氮溫度下依舊很柔軟， 也不脆化；

    ⑦耐酸性好， 對酸呈惰性， 能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕 。除此之外， 碳纖維還具有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和使中子減速等特性。

    3、碳纖維主要分類

    碳纖維可從以下兩個方面進行分類：

    （1）根據碳纖維的力學性能可分為高模量， 超高模量， 高強度和超高強度4種；

    （2）根據原絲的類型可分為聚丙烯腈基碳纖維、纖維素基碳纖維、瀝青基碳纖維、酚醛基碳纖維等。

    3.1 聚丙烯腈基碳纖維

    聚丙烯腈（PAN）基碳纖維由聚丙烯腈經紡絲、預氧、碳化幾個階段形成。PAN基碳纖維具有高強度、高剛度、重量輕、耐高溫、耐腐蝕、優異的電性能等特點， 并具有很強的抗壓抗彎性能， 一直在增強復合材料中保持著主導地位。目前， PAN基碳纖維仍是碳纖維市場中的主流。

    主要應用領域有：航空航天工業， 地面交通工具， 如汽車、賽車、快速列車等， 造船工業、碼頭和海上設施， 體育用品與休閑用品， 電子產品， 基礎設施以及造紙、紡織、醫療器械、化工、冶金、石油、機械工業等領域， 要求零部件在高強度、高剛度、重量輕、耐高溫、耐腐蝕等環境下工作。

    3.2 粘膠基碳纖維

    粘膠基碳纖維是由主要成分為纖維素的粘膠纖維經過脫水、熱解然后碳化而得來的。粘膠基碳纖維的三維石墨結構不發達， 導熱系數小；石墨層間距大， 石墨微晶取向度低， 因此是理想的耐燒蝕和隔熱及熱防護材料。同時， 粘膠基碳纖維是由天然纖維素木材或棉絨轉化而來， 與生物的相容性極好， 又可作為良好的環保和醫用衛生材料。

    由于生產粘膠基碳纖維的工藝流程較長， 工藝條件苛刻， 不適宜大批量生產， 成本較高；另外，粘膠基碳纖維的整體性能指標比PAN基碳纖維的要差， 綜合性能價格比在競爭中處于劣勢， 因此從20世紀60年代以來其生產規模逐漸萎縮， 目前產量已不足世界碳纖維產量的1%。

    3.3 瀝青基碳纖維

    瀝青基碳纖維是以石油瀝青或煤瀝青為原料， 經瀝青的精制、紡絲、預氧化、碳化或石墨化而制成。瀝青基碳纖維的生產原料成本低于聚丙烯腈基碳纖維， 但由于瀝青基碳纖維的生產工藝復雜， 反而使其生產成本大大增加。此外， 瀝青基碳纖維抗壓強度比較低， 其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纖維， 因此其生產規模和應用領域都受到了一定限制。不過， 由于瀝青基碳纖維具有優良的傳熱、導電性能和極低的熱膨脹系數， 因此仍在必須要求這些性能的軍工及航天領域發揮著獨特作用。

    3.4 酚醛基碳纖維

    酚醛基碳纖維阻燃性、絕緣性極好；可在松弛條件下碳化， 加工工藝簡單， 碳化時間短且溫度低， 碳化率高， 且手感柔軟， 但強度和模量較低。酚醛基碳纖維主要用于復寫紙原料， 耐腐蝕電線， 以及用來制造耐熱、防化防毒、無塵等特種服裝。

    4 碳纖維增強復合材料

    盡管碳纖維可單獨使用發揮某些功能， 然而， 它屬于脆性材料， 只有將它與基體材料牢固地結合在一起時， 才能利用其優異的力學性能， 使之更好地承載負荷。因此， 碳纖維主要還是在復合材料中作增強材料。根據使用目的不同可選用各種基體材料和復合方式來達到所要求的復合效果。碳纖維可用來增強樹脂、碳、金屬及各種無機陶瓷， 而目前使用得最多、最廣泛的是樹脂基復合材料 。

    4.1 碳纖維復合材料（CFRP）優點：

    （1） 比強度、比模量高：CFRP 的比強度比鋼高5倍，比模量也比鋼高。

    （2） 密度小，強度高：CFRP 的密度是其它金屬材料密度的0.5 倍左右。高性能的CFRP強度能達到鋼材的十幾倍。

    （3） 抗疲勞特性好：CFRP 的疲勞極限是拉伸強度的70%～80%，遠大于一般金屬的疲勞極限（40%～50%）。

    （4） 抗震性能好：CFRP 中基體纖維界面可以吸收較大的震動能量，因此抗震性能好。

    （5） 可設計性強：CFRP 具有各向異性，可以通過改變各鋪層的方向和層數來得到滿足強度、剛度和各種特殊需求。

    （6） 高溫性能好：CFRP 在400℃的高溫下強度和彈性模量幾乎無變化，而鋁合金在400℃下強度顯著下降，彈性模量幾乎下降到零。

    （7） 成型性好：易于大面積整體成型。

    4.2 碳纖維增強陶瓷基復合材料

    陶瓷具有優異的耐蝕性、耐磨性、耐高溫性和化學穩定性， 廣泛應用于工業和民用產品。但是， 它的致命弱點是脆性大， 并且對裂紋、氣孔和夾雜物等細微的缺陷很敏感。用碳纖維增強陶瓷可有效地改善韌性， 改變陶瓷的脆性斷裂形態， 同時阻止裂紋在陶瓷基體中的迅速傳播、擴展。

    目前國內外比較成熟的碳纖維增強陶瓷材料是碳纖維增強碳化硅材料， 因其具有優良的高溫力學性能， 在高溫下服役不需要額外的隔熱措施， 因而在航空發動機、可重復使用航天飛行器等領域具有廣泛應用。

    4.3 碳/碳復合材料

    碳/碳復合材料是碳纖維增強碳基復合材料的簡稱， 也是一種高級復合材料。它是由碳纖維或織物、編織物等增強碳基復合材料構成。碳/碳復合材料主要由各類碳組成， 即纖維碳、樹脂碳和沉積碳。這種完全由人工設計、制造出來的純碳元素構成的復合材料具有許多優異性能， 除具備高強度、高剛性、尺寸穩定、抗氧化和耐磨損等特性外， 還具有較高的斷裂韌性和假塑性。特別是在高溫環境中， 強度高、不熔不燃， 僅是均勻燒蝕。這是任何金屬材料無法與其比擬的。因此廣泛應用于導彈彈頭， 固體火箭發動機噴管以及飛機剎車盤等高科技領域 。

    4.4 碳纖維增強金屬基復合材料

    碳纖維增強金屬基復合材料是以碳纖維為增強纖維， 金屬為基體的復合材料。碳纖維增強金屬基復合材料與金屬材料相比， 具有高的比強度和比模量；與陶瓷相比， 具有高的韌性和耐沖擊性能。金屬基體多采用鋁、鎂、鎳、鈦及它們的合金等。其中， 碳纖維增強鋁、鎂復合材料的制備技術比較成熟。

    制造碳纖維增強金屬基復合材料的主要技術難點是碳纖維的表面涂層， 以防止在復合過程中損傷碳纖維， 從而使復合材料的整體性能下降。目前， 在制備碳纖維增強金屬基復合材料時碳纖維的表面改性主要采用氣相沉積、液鈉法等， 但因其過程復雜、成本高， 限制了碳纖維增強金屬基復合材料的推廣應用 。

    4.5 碳纖維增強樹脂復合材料

    碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）是目前最先進的復合材料之一。它以輕質、高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學性能優良等特點廣泛用作結構材料及耐高溫抗燒蝕材料， 是其他纖維增強復合材料所無法比擬的 。

    CFRP具有質量輕、強度高的優點，在航空航天領域有著大量的應用， 如航天飛機的艙門、仿生機械臂以及壓力容器等。隨著航空制造技術的不斷發展， 先進民用飛機在結構中大量地使用了碳纖維增強樹脂基復合材料， 主要部位有：整流包皮、副翼、發動機罩、阻力板、擾流器、起落架艙門、水平和垂直尾翼、方向舵及其他主要及次要承力結構件等。在民用領域， 碳纖維增強樹脂基復合材料的應用也不斷擴大， 如汽車結構件、風力發電機葉片、體育器材等。

    5、碳纖維復合材料市場情況

    碳纖維復合材料（CFRP） 問世于20 世紀四、五十年代，最早由美國開始制造。1950 年，在美國空軍基地，人們2 000℃的高溫下首次通過牽引人造絲制備得到了CFRP，隨后CFRP 進入到了高速發展時期。1959 年美國聯合碳化物公司以粘膠纖維為原絲制成纖維素基CFRP ；1969 年日本東麗公司研制成功高比強度和高比模量的碳纖維。碳纖維的生產，在國際上一直由美、日兩國主導，目前日本東麗、東邦和三菱人造絲三家日本公司，占據世界70% 以上的高性能軍用碳纖維生產份額。

    （1）中國碳纖維實際產量低于常能

    據寶鋼集團寶汽新能源控股首席技術官宋廷瑞介紹，碳纖維的產量其實非常低，相當于鋼鐵和鋁合金。上圖可以看到：2014 年全球碳纖維總共 40 萬噸左右，中國目前實際產能將近 1 萬噸，但實際產量只有 3000 多噸。所以基本上國內碳纖維的現狀就是，實際產量遠低于產能。

    （2）全球碳纖維市場需求量龐大

    據美國復合材料預測和咨詢公司2015年做出的一個詳細預測，全球范圍內碳纖維的需求量是與日俱增的。全球碳纖維市場分為消費品和體育休閑，航空航天和工業。其中工業包括汽車風電等其他具體需求。

    受益于美國液燃氣氣瓶的增長以及海上風電的大規模開發，尤其是應對新能源汽車和傳統汽車的輕量化要求，汽車廠汽車產業對碳纖維的需求量實際非常龐大。預計在 2020 年全球碳纖維的需求量可能實現 13 萬噸。如下表示。

    6、碳纖維復合材料用于小型飛機

    國內首款全碳纖維復合材料結構的五座飛機

    （1）比強度和比剛度大：相比于其它復合材料，在滿足飛機機體相同強度和剛度的前提下，碳纖維復合材料高比強度和高比剛度的特性能夠大大減輕機身質量，降低載荷成本，對結構的輕質化、小型化和高性能化意義重大，以確保飛機尤其是無人機擁有更長的飛行距離和飛行時間。

    （2）可整體一體化成型：小型機往往需要具有高度翼身融合的飛翼式總體氣動外形，需要在結構上采用大面積整體一體化成型技術。而碳纖維復合材料不僅可以通過模壓成型、熱壓罐外固化成型或RTM樹脂傳遞模塑成型等工藝進行大面積一體化整體成型，而且還可以引入自動化流水線生產工藝，提高效率，大大降低生產制造成本，非常適合大規模制造小型機的機身結構。

    （3）耐腐蝕和耐熱性好：碳纖維復合材料還具有優異的耐腐蝕和耐熱性能，能夠耐受自然界中的水和多種介質的腐蝕以及熱膨脹的影響，可滿足飛機各種環境條件下長儲存壽命的特殊要求，降低使用維護的壽命周期成本。

    （4）可植入芯片或合金導體：碳纖維復合材料還可以植入芯片或合金導體，形成具有智能的結構整體，可在惡劣環境下長期使用，且不會破壞植入的設備性能，能夠可靠的執行特殊任務。

    7、碳纖維復合材料用于汽車輕量化

    通用汽車全球研發總監認為，未來汽車發展將呈現四個方向：輕量化、電動化、智能化、網絡化。這是電動汽車，尤其對自動駕駛和智能電動汽車而言的四個基本點。

    應用于汽車輕量化的復合材料，尤其是先進復合材料，是指用碳纖維等高性能纖維增強的復合材料。寶馬和大眾均曾預測，在 2020 年碳纖維制品的成本會與鋁合金持平，碳纖維復合材料尤其它的可設計性和模塊化，會大大的會或者徹底顛覆整個汽車的制造格局，從而完全顛覆現有的汽車產業格局。

    隨著我國在碳纖維生產以及復合材料制備工藝領域的進一步發展， 碳纖維及其復合材料在建筑、交通、化工等民用領域的應用前景將十分樂觀，以碳纖維復合材料代替傳統金屬材料制作建筑物的橫梁、抗震結構， 補強、修補或加固橋梁， 制造油田勘探和開采器材以及平臺、油、氣儲罐等將會有很大的發展，而其在航空航天及軍事領域的應用也會更加廣泛。