第一篇：碳纤维原丝范文
碳纤维
碳纤维——是由有机母体纤维(例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青)采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的。其结果是除碳以外的所有元素都 予以去除。碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在 3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到 2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模 量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基
碳纤维的用途主要是利用其"轻而强"和"轻而硬"的力学特性，广泛应用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料;利用其尺寸稳定性，应用于宇宙机 械、电波望远镜和各种成型品;利用其耐疲劳性，应用于直升飞机的叶片;利用其振动衰减性，应用于音响器材;利用其耐高温性，应用于飞机刹车片和绝热材料; 利用其耐药品性，应用于密封填料和滤材;利用其电气特性，应用于电极材料、电磁波屏蔽材料、防静电材料;利用其生体适应性，应用于人工骨、韧带;利用其 X-光透过性，应用于 X-光床板等。
此外，还可以活化成活性碳纤维，应用于各种吸附领域。具体应用例如：①钓鱼杆现年产量约1200万只，年碳纤维用量1200t;②高尔夫球杆随着轻量 化和长尺寸化的要求，现已占碳纤维体育用品用途的50%，年碳纤维用量为2000t;③网球拍的年市场规模约为450万只，年碳纤维用量约500t;④飞 机方面，小型商务机和直升飞机的复合材料用量已占70%一80%，军用机30%一40%，大型客机15%一20%;⑥人造卫星结构体、太阳能电池板和天线 要用高模碳纤维，先进的运载火箭和导弹壳体、发射筒等要用800H和 T300碳纤维等;⑥土木建筑领域，已用于补修加工用片材、建筑部件、代钢筋材料、屋顶构架材料等;⑦能源领域，已用于汽车的压缩天然气罐和风车叶片(长 达30-40m)、海底油田管道、升降机等;⑧交通运输方面，已应用于赛车、汽车传动轴、大型卡车车体等;⑨电子电器领域，已应用于增强热塑性树脂的挤出 成型品，如抗静电 IC盘、笔记本电脑的筐体，具有电磁波屏蔽效果;⑩其它，还有X-射线盒、医用床板、印刷、制膜、造纸等用的各种滚轴、空气或氧气呼吸用压力容器等等。
碳纤维产业是由原丝(PAN)生产再到预浸料再到具体的终端产家这么一个产业链。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。
我国碳纤维的生产和使用尚处于起步阶段, 国内碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4%左右,国内用量的90%以上靠进口。而PAN 原丝质量一直是制约我国碳纤维工业规模化生产的瓶颈。另外,碳纤维长期以来被视为战略物资,发达国家一直对外实行封锁。因此,有关专家认为,强化基础研究 是创新之本, 是发展国内碳纤维工业的根本出路。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 公司开妈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。
世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓
尔泰克(ZOLTEK)、阿克苏(AKZO)、阿尔迪拉(ALDILI) 和德车的SGL公司等。其中日本三大集团占世界生产能力的75%。世界CT型碳纤维总生产能力为22100吨/年，LT型碳纤维总生产能力为9550吨 /年;实际生产量约为7000吨/年。
在20世纪90年代中期以前，军事工业、航天与航空工业与体育休闲业一直是CT型碳纤维的主要市场。自1996年美国成功地将LT型碳纤维工为化以后，CT型碳纤维与LT型碳纤维竞争十分激烈。
当前世界上PAN基炭纤维正处于迅速增长的发展期：产品性能趋向于高性能化，T700S加快取代T300作通用级炭纤维;产量增加较 快，1996~2000增长48.1%;航天航空和体育用品用量增加稳定，民用工业用量增幅较大，已超过前两者，特别是随着大丝束炭纤维的大规模生产，价 格的降低，民用工业需求增加迅猛。
目前，国内研究开发以及生产碳纤维的呼声很高，发展趋势令人鼓舞。下面分别对各地区的开发情况作一简介。
(1)上海地区。最近上海石化公司召开了碳纤维原丝发展研讨会， 该公司准备投资过亿元，采用NaSCN一步法生产数千吨PAN基原丝，真正形成工业规模生产。上海星楼实业有限公司也制定了一套碳纤维产业化发展计划，拟 建立400t/a 大丝束碳纤维生产线，总投资也超亿元(包括下游产品)。此外，上海市合纤所采用亚砜两步法研制和小批量生产PAN基原丝以及碳纤维; 上海碳素厂也有小型碳化线及碳纤维下游产品。
(2)安徽地区。“十五”期间，国家已批准在安徽蚌埠建立500t/aPAN 原丝和200t/a碳纤维生产线，总投资过亿元。PAN原丝采用亚砜一步法，技术由国外引进; 产品以12K的T300级碳纤维为主，并准备引进成熟的预浸料生产线。华皖集团(原蚌埠灯芯绒集团公司)二期建设规模将使碳纤维产量翻一番，达到 400t/a。下游产品的开发也列入发展规划。
(3)浙江地区。中宝碳纤维责任有限公司在浙江嘉兴拟建400t/a大丝束碳纤维生产线，技术和设备引进，投资数亿元，并配套300万m2预浸料。 该项目国家已批准，并积极开展了前期论证和考查工作。根据国内外市场动向及投资与回报等问题，暂缓建立碳纤维生产线，而集中力量开发预浸料等下游产品。同 时，还成立了浙江省碳纤维工程技术研究开发中心，全面推进碳纤维事业。
(4)广西地区。桂林市化纤总厂拟建200t/a碳纤维生产线，产品为3—12K的小丝束碳纤维，投资也过亿元。
(5)山东地区。山东省已把碳纤维列入全省十大高技术产品开发工程首位项目。有以下几个单位从事碳纤维及其制品的研究与生产，或准备介入碳纤维事业。
●山东天泰碳纤维有限责任公司。作为国家计委示范工程将建立400t/a生产线，碳纤维性能为T300级水平，产品以12K 为主。 计划 400t/a 投产后， 再翻一番到800t/a，投资超亿元。技术协作单位是山东工业大学等。同时该公司积极开发和生产多种下游产品。●青岛将建立50t/a左右的碳纤维生产线， 青岛化工学院高分子工程材料研究所(恒晨公司)的介入，引起国内同行们的极大关注。
●山东威海光威渔具集团有限公司主要从事钓竿生产，碳纤维预浸布的规格有30余种。根据发展趋势，有可能向上游即PAN基原丝和碳纤维发展。此外， 山东省东营生产力促进中心也在考虑招商引资建立碳纤维生产线，认为石油等工业是碳纤维的潜在市场。
(6)北京化工大学与吉化公司树脂厂， 将依靠自己的技术建立 500t/a 原丝和200t/a碳纤维生产线。放弃硝酸法，采用亚砜一步法技术路线生产原丝。目前，正在进行中试实验。
(7)兰化集团化纤厂已有100t/a原丝生产线和预氧化生产装置， 计划配套碳化装置生产碳纤维。原丝采用NaSCN一步法。 该单位的晴纶生产线是我国从国外首次引进的，有丰富的生产经验和技术积累。
(8)吉林碳素厂是我国小丝束碳纤维生产基地，已向用户提供50 余吨小丝束碳纤维，为
国家作出了积极贡献。目前，该厂正在建立新的小丝束碳纤维生产线，扩大产量，以满足市场需求。
(9)中科院山西煤化所研制碳纤维已有30多年历史。在70年代中期， 建成我国第一条纤维中试生产线;在90年代末期，又建成我国第一条吨级粘胶基碳纤维生产线。目前该所与扬州聚酯责任有限公司共建碳材料联合实验室，研制高 性能PAN 基碳纤维，并准备在扬州建立产业化基地。此外，山西榆次化纤厂是我国唯一用亚砜一步法生产PAN基原丝达数十年的单位，目前仍在生产。
从以上信息可以看出，当前发展态势有以下几个特点：①投入力度大;②规模大;③参与单位多，特别是大企业的参与;④起点高，采用多项新技术、新工艺;⑤自动化程度高，工控、程控在线配套使用;⑥逐步建立起质量控制和质量检测方法，特别是在线检测。
三、重视基础研究，建立自己的知识产权
当前，除极个别单位外，大多数准备引进项目的技术和设备水平属国际中下等，产品碳纤维也是这个档次，引进后的消化、吸收与创新是面临的重大课题。因 此，在引进的同时应该组织自己的技术队伍，在消化吸收的基础上求创新。如果只是沿着别人的脚印前进，就永远是跟在别人后面，不会占据制高点。从大量国外资 料可以清楚地看出，即使他们生产的碳纤维质量和产量占据世界榜首，但其新思维、新方法、新设备、新成果仍不断涌现，而不是墨守成规。日本东丽、东邦人造丝 和三菱人造丝公司的小丝束碳纤维产量占世界总产量的74%左右(表1)，而这3个公司发表的专利也相当多。例如：东丽公司目前生产的碳纤维T1000，抗 拉强度最高 ( 7.02GPa)、单丝直径最细(5.3um)，可代表世界先进水平，但公司最新专利报道，其实验室已研制出新一代碳纤维，抗拉强度已达到 9.03GPa，比T1000提高了28.6%;单丝直径降到3.2um，比T1000细了39.6%。同时，该公司还开发截面形状为三叶形的PAN原丝 及碳纤维，以拓宽其用途。
基础研究是创新之源，已引起各级领导和有关单位的重视，上下认识一致，有的已开始实施，这是提高我国碳纤维工业技术水平的关键之一。目前国家“863 计划”以及有关部委都在关心我国碳纤维工业的发展及其产业化步伐，并给予强有力的支持。许多材料专家也扎扎实实的做了许多工作。无疑，“十五”将是我国碳 纤维工业产业化的黄金时代。
为了充实G大元的资产质量，大股东大连实德将旗下的中宝碳纤维公司部分股权以8.6折出售给上市公司。在此之前，G大元所持中宝碳纤维公司49%股权是全价受让所得。5月10日，G大元和大连实德下属的北京实德签署受让中宝碳纤维公司17.74%股权协议，受让金额约为984万元。相对中宝碳纤维公司的股本，等于 说G大元是以8.6折价格受让这部分股权的。在此次受让之前，G大元已经持有中宝碳纤维公司49%股权，但那是股权分置改革前全价受让所得。
G大元的公告说，此次重大资产购买的目的，是为了优化公司主营业务结构，增强核心竞争力和持续经营能力，改善公司的资产状况、提高盈利能力，以实现公司价值的最大化，从根本上保证长期健康发展，最大限度地保证广大中小投资者的利益。
中宝碳纤维公司于2004年1月正式投产，当年实现主营业务收入3010万元，2005年实现主营业务收入6600万元，净利润444万元。
碳纤维的发展在20世纪80年代表现为碳纤维的性能不断提高，新品种的不断问世;到了20世纪90年代，碳纤维的性能没有多大发展，市场需求主要是成本的降低，表现在商用大丝束的发展和碳纤维复合材料在建筑，交通运输等领域的扩大应用。
⑪产品性能不断提高
老品种性能不断提高，以日本东丽公司T300为例：T300在20世纪70年代初的拉伸强度为2450MPa;到20世纪80年代初，拉伸强度提高到 2940～3140MPa;在20世纪80年底中期拉伸强度为3300～3430MPa;从1988年起，拉伸强度稳定在3530MPa上下。
象东丽公司T300这样的标准模量级的高强度碳纤维占世界高性能碳纤维的90%;类似的品种还有Amoco的ThornelT300,Hercules的 AS4和BASF的CelionG30~500等，其性能为拉伸模量为207～235GPa，拉伸强度3450～3800MPa.
⑫中模高强型碳纤维的开发复合材料的力学性能主要取决于增强碳纤维的力学性能。因此，提高纤维的性能对改善复合材料的性能起着关键的作用。对航空工业中广 泛使用的碳纤维，提高其性能尤为重要。事实上，随着飞机性能的提高以及复合材料在飞机上的应用部位的扩大，复合材料的设计师很快发现典型的T-300一级 碳纤维的性能偏低(主要表现在拉伸强度和断裂应变偏低)，不能满足新的设计思想对减轻飞机结构质量，提高飞机性能，降低成本，节省能源等方面的要求，尤其 是对机翼，机身等主承力结构更是如此，因此开发性能优于T300的中模量高强度的碳纤维就显得极为重要。
⑬高强高模MJ系列碳纤维
1989年东丽公司在原高模量碳纤维M系列的基础上，开发了相应的高强高模MJ系列碳纤维新产品，使高模量碳纤维的强度得到较大的提高。开发使基于碳纤维微晶取向的最佳化从而得到高模量，使纤维缺陷降到最少得到高强度。
⑭高模量沥青基碳纤维
在开发高模量碳纤维过程中，要达到同样的模量，PAN基要比沥青基的处理温度高数百度。美国联碳公司开发的沥青基P系列碳纤维，碳纤维的模量已接近理论模量。
第二篇：碳纤维
碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小;用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度;用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。1999年发生在南联盟科索沃的战争中，北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应，其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维使供电系统短路。
目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成
碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化(在3800K以上升华)，而在各种溶剂中都不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。
碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。上前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化：在空气中加热，维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构，以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化：在惰性气氛中加热至1200-1600度，维持数分至数十分钟，就可生成产品碳纤维;所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气，但一般多用高纯氮气。C石墨化：再在惰性气氛(一般为高纯氩气)加热至2000-3000度，维持数秒至数十秒钟;这样生成的碳纤维也称石墨纤维。
碳纤维有极好的纤度(纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数)，一般仅约为19克;拉力高达300KG/MM2;还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。
目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越，用途非常广泛，如制造火箭、宇宙飞船等重要材料;制造喷气式发动机;制造耐腐蚀化工设备等。
碳纤维
carbon fibre
含碳量高于90%的无机高分子纤维 。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理
碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得;按状态分为长丝、短纤维和短切纤维;按力学性能分为通用型和高性能型 。通用型碳纤维强度为1000兆帕(MPa)、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。强度大于4000MPa的又称为超高强型;模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈基碳纤维。
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料这种复合材料来应用碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小;用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度;用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。1999年发生在南联盟科索沃的战争中，北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应，其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维使供电系统短路。 目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成 碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化(在3800K以上升华)，而在各种溶剂中都不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。 碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。上前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化：在空气中加热，维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构，以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化：在惰性气氛中加热至1200-1600度，维持数分至数十分钟，就可生成产品碳纤维;所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气，但一般多用高纯氮气。C石墨化：再在惰性气氛(一般为高纯氩气)加热至2000-3000度，维持数秒至数十秒钟;这样生成的碳纤维也称石墨纤维。 碳纤维有极好的纤度(纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数)，一般仅约为19克;拉力高达300KG/MM2;还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。 目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越，用途非常广泛，如制造火箭、宇宙飞船等重要材料;制造喷气式发动机;制造耐腐蚀化工设备等。 羽毛球：现在大部分羽毛球拍杆由碳纤维制成。【碳纤维 】carbon fibre 含碳量高于90%的无机高分子纤维 。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理 碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得;按状态分为长丝、短纤维和短切纤维;按力学性能分为通用型和高性能型 。通用型碳纤维强度为1000兆帕(MPa)、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。强度大于4000MPa的又称为超高强型;模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈基碳纤维。 碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。碳纤维 由聚丙烯腈纤维、沥青纤维或粘胶维等经氧化、炭化等过程制得的含碳量为90%以上的纤维。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的(见图6?/FONT>1)。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。同样，飞机重量的减轻也可以节省油耗，提高航速。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件棗喷嘴以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。 纤维，在国际上被誉为“黑色黄金”，它继石器和钢铁等金属后，被国际上称之为“第三代材料”，因为用碳纤维制成的复合材料具有极高的强度，且超轻、耐高温高压。制造航天器就需要大量使用碳纤维复合材料，而这只有少数国家才能做到。不久前我国发射“神六”，碳纤维就立下了很大功劳。
随着碳纤维在高科领域里地位的不断上升，它的价格也直线上涨，目前日、美等国的碳纤维在出产时的成本价格每公斤不过1000元人民币，可到达我国时，价格却已是3600多美金每公斤，而且现在还越来越呈现出了一种“有价无市”的行情。
刚生产出来的成品碳纤维。
我国的碳纤维事业为什么能够发展到今天?许多外国专家一直不解。1月7日，记者赶到大连采访了被称为我国“碳纤维之父”萧忠渊，他首次披露了一些制造碳纤维的内幕。
我国研制碳纤维第一人
萧忠渊是地地道道的大连人。早在1993年，他就主持设计了向英国和美国出口的火车轴生产线，而在此前很长的一段时间里，我国的火车轴却有相当一部分是要依赖进口的。
2000年，萧忠渊又亲自设计安装了具有自主科研能力的国内第一条碳纤维生产线，并通过了国家“863”专家组鉴定。现在他所在的大连某企业是我国第一个也是惟一的碳纤维产业化基地，综合生产能力国内第一，世界排名第十一位。2002年3月，大连市科技局以“重大突破……填补了国内空白……各项技术指标均居国内领先水平”等字样，在国家科委印制的“科技成果鉴定书”上盖上了大印。
萧忠渊个人情况简介
萧忠渊：现任大连兴科碳纤维有限公司董事长，1954年出生，辽宁大连人，湖南大学材料系，本科毕业。自大学毕业之后一直从事航空、航天及材料的科研与应用领域，拥有包括碳化炉在内的多项国家专利，其主持设计和制造的国家重点项目二十多项，其中大部分为国防和航空、航天领域。
2000年萧忠渊亲自设计安装了具有自主科研能力的国内第一条碳纤维生产线，通过了国家“863”专家组鉴定，大连兴科碳纤维有限公司是我国第一个也是唯一的碳纤维产业化基地，综合能力大陆排名第一位，世界排名第十一位。
萧忠渊曾主持编制了我国第一部PAN基碳纤维标准，并已发布和试行。
萧忠渊的社会兼职：中国科学院《新型碳材料》编辑顾问，现任中国复合材料学会理事、中国复合材料学会科技开发与咨询工作委员会副主任、中国管理科学研究院学术委员会特约研究员。辽宁省复合材料学会常务理事、辽宁省复合材料学会科技开发与咨询工作委员会主任。大连理工大学、大连兴科碳纤维有限公司技术开发研究中心主任，96年被授予北京中华国际名人。
萧忠渊创办的企业有：大连远东碳纤维制品有限公司，大连兄弟复合材料有限公司，大连金盾机动车功能灯具厂，大连兴科碳纤维有限公司。
第三篇：碳纤维加固分析
碳纤维加固混凝土的弹塑性分析 黄兴 王国体
摘要：
1. 碳纤维复合材料是航空、汽车、运动器材等众多领域广泛应用的材料之一。由于具有优异性能。碳纤维单向布与配套树脂材料已是加固钢筋混凝土结构的新材料、新工艺。本文简单介绍了钢筋混凝土有限元分析的研究现状，碳纤维加固混凝土技术的发展概况，讨论了混凝土材料的弹塑性本构关系，介绍了常见的可以用来模拟混凝土的几种模型。 2.在确定有限元模型的基础上，详细介绍了ANSYS中专门用于模拟混凝土或钢筋棍凝土结构的Solid65单元以及钢筋单元LINK8 。
3.在对钢筋混凝土梁的有限元分析中，通过对碳纤维布的添加和消去，用ANSYS进行模拟并对试验结果进行比较，验证碳纤维对混凝土的加固作用。 关键词：混凝土 加固 有限元
Carbon fiber reinforcement concrete ball plasticity analysis Abstract：
1. The carbon fiber is compound with the aviation, the automobile，the movement equipment and so on one of multitudinous domain widespread application materials. Because has the outstanding performance. The carbon fiber unidirectional cloth and the necessary resin material already were reinforces the reinforced concrete structure the new material, the new craft. This article simply introduced the present situation of the reinforced concrete finite element analysis research, the carbon fiber reinforcement concrete technology development survey; discussed the coagulation of the material ball plasticity and the construction relations. Introduced several kinds of common useful models to simulate the concrete.
2. In the determination finite element, in the model foundation, in detail introduced in ANSYS specially uses in to simulate the concrete or the steel bar stick congeals the texture of soil Solid65 unit as well as steel bar unit LINK8
3. In infinite element analysis which puts up the main beam to the steel bar coagulation, through eliminates or add the carbon fiber ,carries on the simulation with ANSYS, thus carries on the comparison to the test result, the confirmation carbon fiber to the concrete reinforcement function Key word: Concrete reinforcement finite element
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1 钢筋混凝土有限元分析的意义
钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理—力学完全不同的材料所组成的结构材料。钢筋混凝土结构由于强度高、可模性好、造价低等优点，在我国建筑业中被广泛使用，公共建筑及绝大部分高层建筑均为钢筋混凝上结构。
由于钢筋混凝土材料性能的特殊性和复杂性，对于钢筋混凝土的试验研究存在着许多复杂的因素，主要包括: (1)钢筋混凝土结构是由两种材料组成:钢筋和混凝土。
(2)混凝土本身主要是由山水、砂石骨料和水泥复合而成。在混凝土硬化以后，在混凝土中仍然有自由水和孔隙，甚至还有未水化的水泥粒，并不可避免的形成数条多微裂缝。混凝土的应力应变关系是非线性的，且受很多因素影响。在复杂应力条件下，混凝土本构方程仍然是一个需要深入研究的问题。
(3)在荷载作用下，一般钢筋混凝土结构是带裂缝工作的。混凝土的裂缝随荷载的增加而不断发展。
(4)混凝土的变形是与时间有关的，如收缩和徐变。
(5)钢筋和混凝土之间的粘结关系非常复杂，如何模拟粘结关系也需进一步研究。
(6)钢筋本的非弹性性能。
考虑到这些复杂因素，要精确分析一个钢筋混凝土结构从加载到破坏的全过程是十分困难的。长期以来，钢筋混凝土结构的分析主要靠试验和经验公式，而且主要是针对杆件结构。对于复杂的混凝土结构要么用模型试验，要么用弹性理论，对某些结构一般是用极限平衡理论求得其承载力。
随着电了计算机的出现和混凝土本构关系研究的深入，钢筋混凝土结构有限元分析方法得到了迅速的发展。在钢筋混凝土结构的分析中运用有限元分析可以提供大量结构反应信息，诸如结构位移、应力、应变的变化，混凝土压屈，钢筋流动，粘结滑移，破坏荷载等等，这对研究钢筋混凝土结构的性能，改进工程设计都有重要的意义。
2钢筋混凝土有限元分析的研究现状
最早用有限元法分析钢筋混凝上梁的学者是 Ngo和Scordelis。他们于1967年在ACI杂志上发表了一篇有关这一内容的论文们在研究中，主要还是基于线弹性理论，但是他们根据试验结果，将钢筋和混凝土划分为三角形单元，按平面
3 应力问题和线弹性理论分析钢筋和混凝土应力，针对钢筋混凝土结构的特点，在钢筋和混凝土之间附加了一种沿钢筋径向和切向都有一定刚度的粘结弹簧，从而可以分析粘结应力的变化情况：反映混凝土的开裂特性，提出了离散裂缝 (discrete cracks)形式，即在梁中预先设置裂缝，裂缝的两边用不同的节点，裂缝间也附加了特殊的无几何尺寸的连接弹簧，以模拟混凝土裂缝间的骨料咬合力和钢筋的销栓作用。这一研究获得了很大的成功，引起了巨大的反响。自此以后，许多学者在这一领域研究，发表了大量研究成果。
1968年Nilsson发展了Ngo等人的工作，将钢筋与混凝土非线性粘结关系和混凝土本身的非线性应力应变关系引入有限元分析，当钢筋开裂后就重新划分网格，把裂缝置于单元边界处Frankin于1970年首先引入“弥散裂缝”的方法，将钢筋分布在混凝土单元中，假定钢筋与混凝土间有效连接并可以自动跟踪裂缝的发展。这一方法为有限元分析实际钢筋混凝土结构提供了有力工具，获得了广泛应用。有些研究中还用拉伸强化 (tension stiffening)概念，以考虑裂缝之间混凝土对受拉的贡献。由于弥散裂缝模式计算相对简单并具有较好的精度，这一模式己被应用于平面应力、平面应变、板弯曲、壳体、轴对称和三维实体问题之中。1969年已有学者用分层法来建立钢筋混凝土梁的弯曲单元稍后Lin和Scordelis将分层法用于板壳单元等弯曲构件，假定每一个混凝土堆安全壳、存储容器和海洋石油平台等大型混凝土结构的非线性分析中。这一阶段的研究和应用都取得了很大的进展，但总的来说，不管是理论研究还是工程应用，都比较粗糙，处于探索阶段。
1977-1985年，在这个阶段中，研究工作主要可分为两个方面。一方面是继续在单元模式的选取、混凝土的本构关系和破坏理论、裂缝的模拟和拉伸强度、骨料咬合和销栓作用以及粘结方面进行深入的研究。另一方面是系统性的总结和交流工作，美国土木工程协会组织了一个20人的委员会，花了八年时间，总结和分析了钢筋混凝土结构有限元结构分析领域的大量研究资料和信息，在 1982午 5月发表了长达 545页的综述报告，内容涉及本构关系和破坏理论、钢筋模拟及粘结的表示、混凝土开裂、剪力传递、时间效应、动力分析、数值算例和应用;还在附录中发表了钢筋混凝土结构非线性的有限元程序。在这一时期，欧洲和亚洲的一些学者也在钢筋混凝土结构的有限元分析方面进行了大量的研究工作，1987年7月在联邦德国召开了“钢筋混凝土空间结构非线性性能”的国际会议;1981年，国际桥梁与结构工程协会在荷兰召开了 “高等混凝土力学”的国际会议;1984年，在前南斯拉夫召开了 “混凝土结构的计算机辅助分析与设计”国际会议。同时，日本学者的研究工作在起步较晚的情况下很快的发展到了应用阶段，并且与试验的结合方面取得了很大的进展。
1985年到现在，处在混凝土的本构关系的表达和试验研究方面继续进行更深入的研究之外，钢筋混凝土结构非线性有限元分析进一步向实用方向发展，努力把现有的分析方法和工程设计结合起来。同时，研究的领域也进一步扩展到动力、冲击荷载下的非线性分析，分析模型和材料参数成为预测钢筋混凝土结构在动力和冲击荷载下性能的研究热点;高强混凝土和受约束混凝土结构的非线性有限元分析也受到了重视;材料非线性、几何非线性以及时间因素的综合考虑也融入了钢筋混凝土结构非线性有限元分析。在混凝土结构中，与时间因素有关的效应包括荷载、预应力、环境因素以及随时间推移而变化的徐变、收缩、老化、热效应和预应力筋的松弛等。在这一时期中，我国在钢筋混凝土结构非线性有限
4 元分析的大部分领域开展了研究工作，取得了很大发展。我国虽然没有专门召开过钢筋混凝土非线性有限元分析方面的会议，但这方面的研究工作在计算力学、结构工程、地震工程等全国性的学术会议中有所反映，也出版了钢筋混凝土结构非线性有限元分析方面的专著，反映了我国在这一方面的研究成果。
目前可以说钢筋混凝土的有限元分析己经到了相当实用的阶段。欧洲混凝土委员会 1990年的混凝土模式规范已经将混凝土有限元方法纳入其有关条文。 我国钢筋混凝土结构也在附录中写入了有关有限元分析的条文。其主要用途如下：
a)用于重大结构，如核电站的安全壳、海上采油平台、大型水利工程结构的静力分析，尤其是动力分析，具有及其重要的意义。既可以检验设计，又可以优化设计;既有经济价值，又有研究价值。
b)用于结构或构件的全过程分析，对结构或构件的性能及其实际的极限荷载有更深入、正确的了解，能揭示出结构的薄弱环节，能对其可靠性做出正确的评价。
c)辅助试验进行参数设计。
3.ANSYS在钢筋混凝土有限元分析中的运用
ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的融结构、热、流体、电磁、声学于一体的新一代大型有限元分析程序，它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，能高效的求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性、模态分析、谐波响应分析、瞬态动力分析、断裂力学等问题。它拥有完善的前后处理和强大的数据接口，因而是计算机辅助设计 (CAE)和工程数值分析和模拟最有效的软件之一。
4碳纤维加固技术的发展概况。
碳纤维材料用于混凝土结构补强加固的研究下作开始于80年代的美、日等发达国家。自80年代末至今，日本、美国、新加坡以及欧洲的部分国家和地区的众多大学、研究机构、材料生产厂家等都相继进行了大量碳纤维材料用于混凝土结构补强加固的研究开发，并在此基础上己编制形成了自己国家的行业标准和规范。日本的阪神大地震后，很多工程就是用碳纤维材料加固修补的。建筑物的抗震加固技术在日本、韩国、美国、欧洲、台湾等国家和地区得到了迅速的发展和广泛的应用。碳纤维材料在土木工程领域的应用已非常广泛，概括起来主要有以下几种途径：
(1)在搅拌混凝土的同时加入短纤维制成碳纤维混凝土，用于新建结构。 (2)长丝制成束状 (棒材)在现浇混凝土中代替钢筋用土新建结构。
(3)将碳纤维制成织物(片材)>VI贴到混凝土表面用于结构的补强和加固。
5 从目前国内外的发展情况看，碳纤维材料应用于建筑业的研究开发活动正 呈积极活跃的态势。中国拥有巨大的建筑市场，大量的钢筋混凝土结构急需补强以优化设计;既有经济价值，又有研究价值。
5今后的研究内容
1.讨论了混凝土材料的弹塑性本构关系，介绍了常见的可以用来模拟混凝土的几种模型。
2.在确定有限元模型的基础上，详细介绍了ANSYS中专门用于模拟混凝土或钢筋棍凝土结构的Solid65单元以及钢筋单元Link8。
3. 在对钢筋混凝土梁的有限元分析中，通过对碳纤维布的添加和消去用ANSYS进行模拟，从而对试验结果进行比较，验证碳纤维对混凝土的加固作用。
钢筋混凝土材料的性质非常复杂:(1)在多轴应力状态下的非线性应力—应变特性;(2)应力软化和各向异性弹性劣化:(3)拉伸应力或应变引起的逐步开裂;(4)钢筋和混凝土的粘结滑移，骨料的连锁作用，钢筋的铆合作用;5)有如徐变、收缩与时间相关的特性。因此，如何提出一个能描述在所有情况下混凝土特性都合适的本构模型是非常困难的一项工作。本章将简要介绍混凝土材料的本构关系。
参考书目：
1.王勖成 有限单元法 清华大学出版社 2003.7 2.祝效华 余志祥 ANSYS高级工程有限元分析范例精选 电子工业出版社 2004.10 3.小飒工作室 最新经典ANSYS及Workbench教程 电子工业出版社 2004.6 4.ANSYS理论手册
5.ANSYS非线性分析指南
6.卢哲安 陈涛 弹纤维加固钢筋混凝土板非线形有限元分析 中国科技论文在线 7.江见鲸 陆新征 钢筋混凝土有限元 清华大学研究生精品课程
8.周岑 孙利民 钢筋混凝土结构弹塑性分析在 ANSYS中的实现 同济大学土木工程防灾国家重点实验室 2000.9.2
第四篇：碳纤维 展雄风
现场直击
7月3日，由中国化学纤维工业协会主办，中国化学纤维工业协会碳纤维分会、中复神鹰碳纤维有限责任公司、国家纺织化纤产品开发中心共同承办的2015碳纤维及其复合材料产业链创新发展论坛暨中国化学纤维工业协会碳纤维分会年会在江苏省连云港市如期举行。
中国纺织工业联合会副会长兼秘书长高勇，中国工程院院士孙晋良、蒋士成，国家发改委产业协调司巡视员贺燕丽，工信部消费品司调研员陈新伟，中国纺织工业联合会副秘书长、科技发展部主任彭燕丽，中国化学纤维工业协会会长端小平等领导，以及来自全国各地的碳纤维产业链上下游的专家、学者、企业代表等约150人参加了本次会议。会议由中国化学纤维工业协会副会长赵向东主持。
高勇首先在致辞中指出，今年是纺织工业“十二五”的收官之年，在即将迎来“十三五”的关键时刻，本次会议的召开极为重要。在过去30年的时间里，化纤行业的增长速度一直都是两位数，但是世界范围内的增长速度大概仅为3%，整个2014年我国纤维加工总量超过5000万吨，已经取得了世界1/2以上的加工规模和1/3的市场规模。在今后的5～10年，甚至到2030年，行业的发展速度将不再是强项，整个纤维加工行业将处于重大调整期。在今后很长的一段时间内，化学纤维尤其是高性能纤维将成为非常重要的方面，不容小觑。
“在‘十二五’收官之年的这个关键时期，我们不难看到，碳纤维在我国已经取得了非常大的进展，一些企业在碳纤维方面的研发也已经取得了阶段性的成功。但是也应该看到，碳纤维行业仍然处于起步阶段。各种方针政策也将在今后发挥纽带作用，各方的意见和要求也需要整合，希望碳纤维可以在一些重点领域发挥更大的作用。”中国化学纤维工业协会碳纤维分会会长张国良说。
在会议上，中国化学纤维工业协会秘书长兼中国化学纤维工业协会碳纤维分会秘书长王玉萍做了工作报告。
据王玉萍介绍，中国化学纤维工业协会碳纤维分会自去年5月成立之后，在一年多的时间里，完善了管理机构与制度，并协助分会成员企业在生产技术、产品开发、市场开拓、数据统计、专项申报、奖项评审和国际交流等方面开展了一系列的工作。整个行业在产学研合作和关键技术方面取得新突破，吉林碳谷碳纤维有限公司、中复神鹰碳纤维有限公司、威海拓展纤维有限公司、江苏恒神股份有限公司和西安富瑞达科技有限公司等代表企业都在产品研发和技术创新方面有着一定的成绩。
“国内的碳纤维行业整个2014年的产量约为3700吨，而碳纤维及其制品的进口量为11726.9吨。由于国内高档碳纤维产品相对较少，因此绝大部分的航空航天、体育用品、工业用高档碳纤维预浸料和碳布还需要由国外进口，且需求量还在不断增长。这其中，日本仍是最大的进口国，从韩国进口的碳纤维及其制品也已经超过台湾地区上升到第二位。从去向上分析，进口碳纤维及其制品在工业领域的应用份额逐年扩大，而且未来将是碳纤维应用的主要去向。”王玉萍说。
会上，北京化工大学教授徐华做了题为《“十三五”碳纤维行业发展机遇及趋势》的报告。他指出，碳纤维行业的市场需求量在逐年上升，在即将到来的“十三五”时期，行业的发展机遇和市场空间巨大，在多个应用领域也将有良好的表现。希望业内可以抓住机遇，迎接挑战。
会后，与会代表还实地参观了中复神鹰碳纤维有限责任公司的生产车间，了解了碳纤维代表企业生产与发展的最新情况。
高端视点
孙晋良中国工程院院士
复合材料在国内的起步很早，但是碳纤维的起步在国内并不早，直至上个世纪70年代，国内才有碳纤维身影的出现。在整个过程中，碳纤维的发展走了很多弯路。但是也应该看到，近两年，一批优秀的碳纤维企业已经以极快的速度发展了起来，中复神鹰就是其中一家。希望在今后可以有更多优秀的碳纤维企业不断涌现，也祝愿碳纤维行业可以在不断变化的国内外经济环境下健康发展。
贺燕丽国家发改委产业协调司巡视员
碳纤维产业链的上下游其实可以更多地融合在一起，也希望国内做碳纤维的企业可以降低成本、节能降耗。在此呼吁国家支持碳纤维行业的发展和碳纤维应用的创新，把扶持力度做到点上。比如考虑对用国产碳纤维多的企业多给予些补助，对进口的与国产碳纤维质量相当的产品提高关税等。如果国产碳纤维同国外碳纤维在质量、品质、功能上基本一致，希望下游多支持国内碳纤维企业生产的产品。
端小平中国化学纤维工业协会会长
碳纤维行业的梳理非常有必要。首先，碳纤维行业的名义产能和实际产能不相符，水分确实存在，如果不把这些水分挤掉，会迷失自我，希望碳纤维行业可以回归到原本的面目。其次，“十三五”将是行业洗牌的过程，在这个过程中，会有企业做的好，脱颖而出，也会有企业因为顶不住各方面的压力而出局。但是行业和企业都要有大浪淘沙的气度和胸襟，用信心来面对未来激烈的竞争，只有经历了这些，这个战略性行业才可以得到健康发展。再次，行业标准在现如今愈发重要，碳纤维行业急需制定整个产业链的标准，要找到上下游之间的结合点。最后，希望政府可以采用类似家电下乡等政策，对碳纤维行业给予一定的采购补贴，支持国产碳纤维行业和企业的发展，除此之外，还希望适当提高关税。
碳纤维行业的问题和困难确实存在，但是企业不要妄自菲薄。在过去的日子里，我国的碳纤维行业在一定程度上实现了产业化，已经缩短了与国外约30年的差距，受此影响，国外的碳纤维产品已经大幅度降价。行业的未来是美好的，业界要有信心。
曲美玉国家发改委产业协调司轻工纺织处处长
现如今，国产碳纤维在研发和产业化方面已经取得了长足的进步。但是也应该看到，国产碳纤维产品在应用方面的问题比较大。如果下游企业知道国产碳纤维的存在却不使用，那么碳纤维企业应该去反思为何下游企业不选择国产碳纤维产品，并加以新的研发。如果下游企业并不知道国产碳纤维产品的存在，那么就要注重产品的宣传和品牌培育，扩大国产碳纤维的知名度。希望碳纤维的生产企业和应用企业之间的对接可以更科学、更合理，帮助国产碳纤维走出一条新路径。
主题报告
全球碳纤维产业发展动态
分享人：中国复合材料集团有限公司董事长张定金
目前，在碳纤维产业优势明显的国家和地区，企业已经用技术创新和持续性的投入，换来了性能的提高和成本的降低。在应用市场的开发和培育方面，这些碳纤维生产企业与航空航天、汽车工业等碳纤维应用企业建立了良好的合作关系和完整的碳纤维产业链，通过材料、设计和制造工艺领域专家的紧密协作实现材料的应用。
举例而言，日本东丽公司就成功开发了大型民航客机用碳纤维――T800S，现在已经大量应用在B787客机上，此外还开发了可以应用于风力叶片的T620-24K碳纤维。SGL和宝马公司合作开发了汽车用碳纤维，并持续增加产能，开发低成本的汽车用碳纤维。
总而言之，国外已经形成设计、制造、分析及验证立体化系统的复合材料结构技术体系。
国内方面，现如今，T300级碳纤维已经实现千吨级产业化，产品成功应用于航空等领域;T700级碳纤维千吨级生产线已经建成，产品进入应用考核阶段;T800级碳纤维百吨级生产线建成并已经批量生产;高模及高模高强碳纤维的工程化制备关键技术急需突破。企业方面，中复神鹰、江苏恒神、威海拓展、山西钢科这几家企业近几年发展迅速，已经成为国内碳纤维行业的佼佼者。
但是还应该看到，目前我国的碳纤维实际产量仍然很低，2007～2014年碳纤维累计产量仅为1.23万吨。与之不匹配的是日益增加的碳纤维需求量，2014年我国碳纤维需求总量为10600吨左右。除此之外，行业还缺乏系统而完整的工程设计和分析技术、工艺规范和材料性能数据库以及一套先进的鉴定程序。而且，上游碳纤维产能分散、生产规模小、开车率低、品种单一，生产成本高，全行业呈现略亏损状态;中游复合材料产业薄弱，先进的设备和高端碳纤维的预浸料主要依靠进口;下游市场需求疲软。
根据目前的行业发展现状，建议国内碳纤维的发展要大力支持低成本碳纤维制备技术及复合材料应用研究，促进碳纤维在汽车、风力叶片、航空等领域的大规模使用。为了提高国产碳纤维生产线的产能利用率，建议国家根据生产销售碳纤维的量对生产碳纤维厂家及应用碳纤维的用户进行奖励。对重点碳纤维企业给予一定的优惠政策，减小企业的资金压力。鼓励国内企业走出去，在出口审批、退税方面给予一定支持。
先进复合材料应用现状和技术发展态势
分享人：中国兵器工业集团第五三研究所总工程师魏化震
复合材料具有高比强度、高比模量，性能与功能的可设计性，正向的复合效应，材料与结构的同一性。正是由于复合材料具有这些特点，所以可以用于军、民装备，可以显著减轻重量，节约能源，同时可赋予装备及系统部件一些独特的功能特性。
这其中，高性能碳纤维是国防军工、能源和工业等领域必不可少的关键材料。作为国防领域最为关键的基础原材料，国家对此极为重视，相关企业更是殚精竭虑。虽然我国已经取得了长足的进步，但是整体工程化水平与国外差距较大，国家和企业的高投入没能换来自主保障，相关企业处于困难的境地到底原因何在，更是应该深入进行探讨。希望业内可以较快攻克国产碳纤维制备技术，开展不同的应用验证研究。
从未来的角度来看，复合材料技术发展已经呈现出这几点趋势：一是不断开发和应用更高比强度、比模量的新型纤维;二是纳米材料的应用，进行跨尺度的设计;三是不断向功能化、结构一体化和智能化、仿生化方面发展;四是向低成本化方向发展;五是不断发展材料复合新技术。
希望国内的碳纤维行业可以突破发展的桎梏，壮大碳纤维产品的实力和水平，在能源领域、汽车领域、体育休闲领域、军工领域等方面都能有好的表现。
第五篇：碳纤维材料的性能
碳纤维材料的性能及应用
摘要：介绍了碳纤维及其增强复合材料，详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民用领域的应用，并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。
关键词：碳纤维性能应用 0引言
碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性，在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。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。
1碳纤维材料
1.1何为碳纤维材料
碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、信息产业等工业领域。 1.2碳纤维的特点
碳纤维是纤维状的碳材料, 由有机纤维原丝在1 000 以上的高温下碳化形成, 且含碳量在90%以上的高性能纤维材料。 碳纤维主要具备以下特性:
( 1) 密度小、质量轻, 碳纤维的密度为1. 5~ 2 g /cm3, 相当于钢密度的1 /
4、铝合金密度1/2; ( 2)强度、弹性模量高, 其强度比钢大4~ 5倍, 弹性回复为100% ; ( 3) 热膨胀系数小, 导热率随温度升高而下降, 耐骤冷、急热, 即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂
( 4) 摩擦系数小, 并具有润滑性;
( 5) 导电性好, 25 时高模量碳纤维的比电阻为775 cm, 高强度碳纤维则为1 500 cm; ( 6) 耐高温和低温性好, 在3 000 非氧化气氛下不熔化、不软化, 在液氮温度下依旧很柔软, 也不脆化;
( 7) 耐酸性好, 对酸呈惰性, 能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外, 碳纤维还具有耐油、抗辐射的特性
2碳纤维增强复合材料
尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能, 然而, 它属于脆性材料, 只有将它与基体材料牢固地结合在一起时, 才能利用其优异的力学性能, 使之更好地承载负荷。因此, 碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷, 而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料。 2. 1碳纤维增强陶瓷基复合材料
陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性, 广泛应用于工业和民用产品。它的弱点是对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感。用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性, 改变陶瓷的脆性断裂形态, 同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料, 因其具有优良的高温力学性能, 在高温下服役不需要额外的隔热措施,因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用。 2. 2碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称, 也是一种高级复合材料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料主要由各类碳组成, 即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能, 除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外, 还具有较高的断裂韧性和假塑性。特别是在高温环境中, 强度高、不熔不燃, 仅是均匀烧蚀。这是任何金属材料无法与其比拟的。因此广泛应用于导弹弹头, 固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领域。 2. 3碳纤维增强金属基复合材料
碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维, 金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比, 具有高的比强度和比模量; 与陶瓷相比, 具有高的韧性和耐冲击性能, 金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等, 其中, 碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟。制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层, 以防止在复合过程中损伤碳纤维,从而使复合材料的整体性能下降。目前, 在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等, 但因其过程复杂、成本高, 限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用 2. 4碳纤维增强树脂复合材料
碳纤维增强树脂基复合材料( CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料, 是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂主要分为两大类, 一类是热固性树脂, 另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预集体或带有活性基团高分子量聚合物组成; 成型过程中, 在固化剂或热作用下进行交联、缩聚, 形成不熔不溶的交联体型结构。在复合材料中常采用的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成, 在一定条件下溶解熔融, 只发生物理变化。常用的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。在碳纤维增强树 脂基复合材料中, 碳纤维起到增强作用, 而树脂基体则使复合材料成型为承载外力的整体, 并通过界面传递载荷于碳纤维, 因此它对碳纤维复合材料的技 术性能、成型工艺以及产品价格等都有直接的影响。碳纤维的复合方式也会对复合材料的性能产生影响。在制备复合材料时, 碳纤维大致可分为两种类型: 连续纤维和短纤维。连续纤维增强的复合材料通常具有更好的机械性能, 但由于其制造成本较高,并不适应于大规模的生产。短纤维复合材料可采用与树脂基体相同的加工工艺, 如模压成型、注射成型以及挤出成型等。当采用适合的成型工艺时, 短纤维复合材料甚至可以具备与连续纤维复合材料相媲美的机械性能并且适宜于大规模的生产, 因此短纤维复合材料近年来得到了广泛的应用。
李军《碳纤维及其复合材料的研究应用进展》辽宁化工2010年9月第39卷第9期
3碳纤维及其复合材料的应用
3.1高新技术领域
碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70%~80%，在军用飞机上占30%~40%，在大型客机上占15%~50%。AV—8B 改型“鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26%，使整机减重9%，有效载荷比AV—8A飞机增加了一倍。数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22 为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。在法国电信一号通信卫星本体结构中，带有4 条环形加强筋的中心承力筒是由CFRP 制成的，它通过螺接连接在由CFRP 制成的仪器平台上。卫星的蒙皮是由T300 CFRP 制成。由于CFRP 的比模量高，在日本JERS-1 地球资源卫星壳体内部的500 mm 的推力筒、仪器支架、8 根支撑杆和分隔环都使用了M40JB CFRP，此外，卫星的外壳、一些仪器的安装板均采用了碳纤维/环氧蜂窝夹层结构。美国空军实验室1997 年在国家导弹防御系统试验项目( BMDO CEP) 支持下，成功设计并制造了以CFRP 为加强筋的AGS 整流罩，重量仅37 kg，同类型铝合金防护罩重97 kg，运用纤维缠绕技术实现了自动化生产，工艺周期缩短88%，比同类型蜂窝夹层结构制造复合材料整流罩减重40%，成本降低20%
图3 CEP 火箭有效载荷整流罩 Fig. 3 Payload fairing of CEP launch rocket 3.2民用领域
3.2.1碳纤维复合材料在体育器材上的应用
像撑竿、高尔夫球杆、网球拍、自行车、滑雪板、皮划艇等靠人力来使其运动的体育器材，人们希望其质量越轻越好; 即使是靠人力以外的其他动力来使其运动的器材，如赛车、帆船、摩托艇等，在相同的条件下也以质轻为好。碳纤维复合材料在此方面具有不可比拟的优势，其密度为1. 76 ～1. 80 g /cm3，所制复合材料密度为1. 50 ～1. 60 g /cm3，而钢材约为7. 87 g /cm
3、铝材2. 7 g /cm
3、钛材4. 5 g /cm3。显然，CFRP 要比金属材料轻得多。 3.2.1碳纤维在新能源领域的应用
叶片是风力发电装备的关键部件，它的质量(W)随叶片长度(L)的三次方增加( W=A L3)。当风机叶片质量增长到一定程度时，叶片质量的增加幅度大于风机能量输出的增加，那么叶片长度的增加则存在一个极值。风力发电机叶片的长度尺寸、刚性以及质量代表着风电机组的发电水平，常规的玻璃纤维增强材料制备叶片已难以满足叶片尺寸加大对刚性与质量的综合要。碳纤维复合材料优异的抗疲劳特性和良好的导电特性，可有效减弱恶劣环境对叶片材料的损害，避 免雷击对叶片造成的损伤求，在全球风机装机容量快速增长的今天，提高碳 纤维复合材料用量的长叶片大容量风机将成为主要趋势。 3.2.3碳纤维在工业领域的应用
铁道部规划在3 ～ 5 年内，时速为160km / h 的车辆将达到50% 以上，约1 万5千辆，每辆车需刹车片32 片，共需约48 万片。车辆提速之前，铁路客车和货车的最高设计时速分别为120km / h 和80km / h。由于车辆速度每提高一倍，其制动功率将增加8 倍，因此对提速车辆用制动材料提出了相当严格的技术要求。理论研究和实车运营状况表明，现有的常规制动材料，无论是摩擦系数和列 车运行平稳性，还是耐磨性、导热性、制动距离等均不能满足提速车辆的需要碳纤维复合材料刹车片是国际上仍在不断研究的新型制动材料，它具有强度高、弹性模量适中、耐热性好、重量轻、膨胀系数小、耐磨损等优点，而所有这些都是提速列车制动所必需的性能，因此开发这类新型材料已被发达国家重视德国铁路部门投巨资，由KnoorBremse公司研制了高速列车用碳纤维复合材料盘型制动器; 日本、法国开发研制的碳纤维复合材料刹车片已成功地应用于新干线和TGV 高速列车制动。面对国外碳纤维复合材料高技术的发展趋势和我国铁路对高性能制动片的迫切需求，研制开发高速列车用碳纤维复合材料刹车片不仅具有重要的现实意义，而且具有巨大的推广应用价值
4碳纤维产业的前景展望
自2004年随着碳纤维在汽车应用上的起步、飞机应用及风力发电等领域的扩大，碳纤维的需求快速增加，使全球碳纤维供应呈严重短缺现象，促使世界各国 碳纤维生产厂家纷纷加大资金投入、扩大产能，碳纤维的生产进入高速发展时期。由于全球对碳纤维需求的持续增长，预计未来碳纤维还将以超过10%年增长率 速度持续增长。目前世界碳纤维生产和技术主要集中在日本、美国等少数几个国家，其中日本占全球产能的50%以上，美国占全球产能的27.5%。尽管我国从20世纪60年代后期就开始PAN基碳纤维研究工作，且与国外开始的时间相差不远;但由于在原丝与碳化的关键技术及设备上一直未能取得突破，特别是PAN原丝技术停滞不前，因此与世界上碳纤维生产先进水平的国家相比，在数量和质量上差距越拉越大。尽管我国的碳纤维生产发展缓慢，但消费量却与 日俱增，市场需求旺盛。随着市场需求的增加，特别是国防、军工、航空航天、体育用品等方面需求的增长，每年从国外进口的碳纤维越来越多。这就要求我们必需加快研究、生产步伐，抓住发展机遇，尽快实现和提高我国碳纤维国产化生产水平。