碳纤维材料的发展

第一篇：碳纤维材料的发展

碳纤维复合材料在航空航天领域的发展浅析

咱们分航空和航天两个方面，对CFRP的应用，略加介绍。这篇的很多技术术语，都在前文中介绍过。您有了那些铺垫，再读下去，会觉得没那么生涩。还会因为知道了前因后果，感悟得更多一点所谓外行看热闹，内行看门道。说到应用，国外的料大家尽管爆，国内产品公开的信息不多，因此兵器迷所知有限，只能给大家上个小菜——所有国内资料都来自互联网官方报道和公开出版物，并注明了相关来源。额来坛子的目的，第一是学习，第二是分享，第三是科普。

一、 航空方面的CFRP应用

业内一般认为，碳纤维复合材料在军用航空方面的应用大体上可以分为三个阶段(也有按四个阶段分的，差异不大)。民机对安全性、经济性、可靠性要求高于军机，因此在应用上更加保守和延后，但也大体追随了军机的步伐。在此一并介绍。

第一阶段——非承力结构：20世纪60-70年代：由于1公斤CFRP可以大体替代3公斤铝合金，性能满足要求，因此开始用于非承力结构，如舱门、前缘、口盖、整流罩等尺寸较小的部件。对于民机，除了上述应用外，机舱大量的内饰也会用到复合材料，但其中有很多是芳纶或者玻璃纤维复材，这里不赘述。

国内方面：从难度上说，非承力结构是航空复材的小case，但是应用面却最广泛。国内在技术上已无大的障碍，基本达到了国外类似的水平，需要的是大规模普及。相信ARJ21,C919和运20等大平台和众多无人机小平台定型运营后，能够为此提供广阔的应用空间。

这些一般应用，大多用便宜的大丝束产品就够了;而T300以上的产品，贵得离谱，好钢用在刀刃上，于是大多用在承力结构上。

第二阶段——次承力结构：20世纪70-80年代：随着力学性能的改善与前期应用的效果提高了人们的信心，CFRP逐步扩展到飞机的次承力结构，即垂尾、平尾、鸭翼、副襟翼舵面等受力较大、尺寸较大的部件。

其中，1971年美国F-14战斗机把纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上，是复合材料史上的一个里程碑事件。波音B777也将CFRP应用于垂尾、平尾等多处部件，共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。

国内方面:

中国将CFRP用于军机的舵面和翼面，也已经开始成熟。

根据《玻璃钢》等杂志的公开报道,早在“六五”期间，沈阳飞机设计所、航空材料研究院和沈阳飞机厂共同研制歼击机复合材料垂尾壁板，比原铝合金结构轻21kg，减重30%。北京航空工艺研究所研制并生产的QY8911/HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。歼轰7-A战机采用了CFRP平尾。

2009年建国60周年国防成就展上，报道了歼10在鸭翼、垂尾、襟副翼、腹鳍等所有7个舵面和腹鳍采用了CFRP材料，这与国外这一阶段的发展水平基本相当。

2011年通用航空大会上披露，即将定型的猎鹰L15高教机也采用了复材的机头罩、方向舵和垂尾，其中舵面是CFRP。

在民机方面，ARJ21新支线飞机的复合材料技术水平大体达到了这样一个水平，算是开了个头，但大规模应用尚需时日。

图1 国内某机型基于“π”形接头盒段结构成型的CFRP垂直安定面

图2：猎鹰L15采用了T300CFRP材料制作的尾翼舵面

国内CFRP次承力构件的广泛应用，与T300生产进程密切相关。材料的国产化，产量的扩大化和价格的低廉化，分别为CFRP次承力构件的应用提供可能性、适用性和经济性。从而最终推动CFRP次承力构件成为国产军民航空器的标配。

这一阶段的材料和工艺，都是我们用T300和手工铺叠工艺能够达到的，因此未来的发展相对有把握。但如果制件再大些，承力再大些，就会涉及主承力结构了。

第三阶段，从上世纪80年代至今，随着高性能碳纤维和预浸料-热压罐整体成型工艺的成熟，CFRP逐步进入机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中。

美国原麦道飞机公司于1976年率先研制了F/A-18的复合材料机翼，把复合材料的用量提高到了13%，成为复合材料史上的又一个重要里程碑。后期更采用自动铺丝技术为FA-18E/F制造CFRP的12块机身蒙皮，10块进气管蒙皮，4块水平尾翼蒙皮。F16战斗机BLOCK50之后也开始采用CRPR复合材料机翼。F22战机的复合材料用量已经提高到结构重量的22%。目前西方国家军机上复合材料用量约占全机结构重量的 20%～50%不等。

民机方面，波音777采用全复合材料尾翼，其翼面及翼盒构件，均采用自动铺带技术制造。空客A330/A340飞机长9m，宽2m，重200kg的大型蒙皮壁板。A380的后机身所有蒙皮壁板19段，22%的机身重量是CFRP。尤其是A380的8*7*2.4米中央翼盒，重8.8吨，CFRP就用了5.5吨，比金属材料减重达1.5吨，其燃料经济性相当可观。

这方面的先行者，是波音公司的B787“梦想”飞机，复合材料应用率50%。CFRP广泛应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，同时是第一个同时采用CFRP复合材料机翼和机身的大型商用客机，其23% 的机身均使用了自动铺丝机制成的CFRP材料。

最值得关注的，是其机身：787机身工艺采用直径5.8m 的成型模胎安装在一旋转夹具上沿长轴转动，先铺长桁然后铺皮，形成外表光滑的变厚度的壳体以及共固化的桁条组成的机身段，经过热压罐固化后，取下模胎。这一工艺可以代替由上百块蒙皮壁板、加强筋及长桁、上千个紧固件组成机身的工艺，见下图。

图3：波音787直径5.8米整体成型CFRP框段

在研机方面，波音公司X-45系列飞机复合材料用量达90%以上，诺斯罗普·格鲁门公司的X-47系列飞机也基本上为全复合材料飞机。

看完波音的系列CFRP主承力结构产品，兵器迷想问问某些网友，凭哪条说美国是产业空心化，只剩下金融和房地产了?人家居安思危，几句谦虚的自拙之语，被刚进入工业化不久的我们如获至宝般的照单全收，再加以主观放大，作为沾沾自喜的根据，实在不足为取啊。

国内方面

根据中广网的公开报道，2012年12月，中航工业西飞公司向中国商用飞机有限责任公司(简称中国商飞)交付了C919大型客机中央翼、襟翼及运动机构部段，这是C919大型客机七大部段中难度最大、工作量最大的两个部分。这两个部段尺寸大、结构复杂、外形公差要求高，尤其是国内民机最长尺寸、长达15米的襟翼缘条加工，技术难度非常大。西飞突破了复合材料大型成型模具设计制造技术、复合材料构件预装配变形控制技术等多项技术难关，整个研制过程全部采用先进的三维数字化设计、传递与制造，中央翼部段除1号肋是金属件外，全部采用了先进的中模高强碳纤维/增韧环氧树脂复合材料制造。这是国内首次在固定翼飞机最重要的主承力结构件上使用复合材料，代表了中国制造的碳纤维航空复合材料应用的最高水平。

图4 国内基于T 形接头共固化/胶接一体成型工艺研制的盒段件。

图5国内采用CFRP生产的某机型纵横向加筋机身壁板。

注意，图5的产品仍然面积较小，需要通过机械加工多块拼接形成大型壁板。而波音787可以整体成型超长超宽的壁板，覆盖在两个大型工艺分离面(核心主框段)之间，如5.8m×7m 的47 段和 4.3m×4.6m的 48段CFRP壁板。

我们能做出来786这么大的壁板吗?回答是：能。

这位眼睛瞪圆了——那为什么不用呢?

其实，国内C919大飞在一开始，也曾雄心勃勃，想做类似波音787这样的大型整体壁板.但我们的工艺水平不成熟，虽然能做出来，却无法控制批次质量的稳定性. 废品率高，成本自然下不来。C919是商飞啊，不是技术验证机，安全性和经济性都是一票否决，所以琢磨了很久，还是放弃了。仍然采用分块成型拼接吧。

差强人意,亦属无奈。

为了学习CFRP大型构件整体成型的新技术、新工艺，哈飞复合材料公司与外方合作伙伴一起，共同进行C919的部件开发。下图6展示的，就是哈飞复材公司参与制造的C919机尾框段——在2.4米的长度内，直径从2米平滑过渡到1.2米，一次整体成型，是目前公开所见国内合作制作的最大体积整体成型CFRP制件。见图6

图6：C919机尾76-81框的CFRP整体成型框段

CFRP主承力结构件，对T700,T800等高性能军用碳纤维生产，以及大型复材整体成型技术提出了更高需求。国内在这两方面又都存在短板甚至空白。因此大多数应用是探索性，合作性和阶段性的。在短期内，我们尚无法做到主承力结构CFRP的大规模应用。

对此，正确的态度应当是：学而时习之。中国人有差距，不可怕。咱学，咱追，一定有一天咱超——就像空警2000一样。可怕的是妄自菲薄和夜郎自大两种极端心态。这样的心态，距离事实很远; 距离成功，那是无限远。

CFRP三个阶段的应用介绍完了，咱们再看看——

直升机、旋翼机、风扇叶片等其他方面

包括CFRP在内的先进复合材料的用量甚至更大。如V-22鱼鹰倾转旋翼机，其结构的50%由复合材料制成，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等，共用复合材料3000多千克，其中很大一部分是CFRP。V-22的整体后机身，原由9块手工铺叠的壁板装配构成，后改为自动铺丝工艺整体成型，减少了34%的紧固件，53%的工时，降低了90%废料率。自动铺丝技术同时应用于储油箱、旋翼整流罩、主起落架舱门。已经下马的“科曼奇”(RAH- 66)共使用复合材料50%，欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复合材料用量高达80%，接近全复材结构。

国内方面：

2011年国际通用航空大会披露，我国与法国、新加坡合作研制的轻型直升机 EC120的机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由CFRP等复合材料制成。在军机方面，近年来所有的国产直升机旋翼都是多维编制的CFRP复材叶片，金属旋翼叶片已经完全淘汰。报载：复材叶片和先进旋翼机构，已经成为中国直升机整体短板下不可多得的优势点，水平基本与国外看齐——歼20、武直

10、辽宁号这些平台类的突破固然可喜，而直升机叶片这样长期困境中的点滴进步，也同样令人感动。

既然说起叶片，再唠叨两句航空涡扇发动机。

大家知道，航发的风扇叶片，大多采用钛合金。金属叶片有一个弱点，就是振动阻尼性能较差，高速旋转时容易震颤，而且不易衰减。而且如果叶片本身已经有微小裂纹，就会在这种持续震颤中，引发裂纹由内向外快速扩张，在极短时间内造成叶片断裂。这是一种比共振更加危险的振动现象。

因此，有些风扇就在每个叶片的两侧加一个凸台，专业术语称为“凸肩”。建国60周年空军成就展上披露，在歼11系列的AL31FN和WS-10A发动机进气口，都有这样的凸肩(见下图)。这样，叶片全部高速旋转时，各凸肩形连起来成了一个加强环，增加了叶片刚度。而且，叶片是依次叠加的，每个凸肩“顶”着前面一个叶片，有效降低了阻尼震颤。但这样做的后果，是凸肩增加了叶片厚度和重量，同时增加了叶片数量，降低了发动机的推重比。

图7：歼10发动机进气口的凸肩(红圈处)

而CFRP材料制成的风扇叶片，由于纤维多层交叉铺贴，材料本身“各向异性”性能优越，裂纹生长缓慢，再加上振动衰减率比钛合金快5-6倍，因此可以取消叶片凸肩。2010年珠海航展披露，GE和法国斯奈克玛为C919大飞联合研制的发动机LEAP-X，就采用了CFRP三维碳纤维编织物整体成型的风扇叶片，不但重量减轻了50%，叶片数也减少了一半。

国内发动机风扇叶片，目前只看到涡桨发动机的复合叶片，尚未见到实装涡扇发动机使用CFRP的报道。2012年珠海航展上的CJ-1000A发动机是我国第一款商用涡扇航空发动机在研产品，据称采用了CFRP宽弦复合大弯掠风扇叶片。让我们假以时日，拭目以待吧。

在2011年中国国际通用航空大会上，“天弩”、“风刃”等无人机采用了全机结构CFRP材料，V750无人直升机、小型通用航空双座飞机，也都大范围采用了CFPR蒙皮，可以看作是国内碳纤维复材在通用航空领域的有益尝试。

航空说完了，咱吧眼光再放远点，看看航天吧。

二、 航天方面的CFRP应用

鼻锥和翼面：洲际导弹、宇航飞船高速再入大气层时，由于绝热压缩空气的阻力，飞行器表面的温度非常高。美国阿波罗飞船指挥舱表面的最高温度达2740℃。利用CFRP系列中的分支——碳纤维碳增强复合材料CFRC(也称碳/碳复合材料)制成烧蚀材料，热力学性能优异，防热效果好。如美国碳/碳复合材料在3837℃高温持续255秒的过程中，线烧蚀率只有0.005毫米/秒，保证了航天飞机在1650℃的环境中连续工作40分钟安然无恙。而且，碳/碳复合材料用来制造洲际弹道导弹的鼻锥和翼尖，在烧蚀过程中烧蚀率低、烧蚀均匀和烧蚀对称。这保持了航空器的良好气动外形，有利于减少非制导误差，美国的民兵-III导弹，就采用了碳/碳复材鼻锥。

喷管喉衬：固体火箭发动机推进剂燃烧时产生的高温高压和高能粒子从喷管以3.0～4.5马赫的超音速喷出，喷管承受3 500℃高温、5～15 MPa的压力和高温冲刷。美国的民兵-III导弹，第三极火箭喷管喉称采用了碳布浸渍树脂，满足3260℃工作60秒的需求。MX弹道导弹第三级发动机的喷管关键部位如外头帽前段、整体喉衬入口段和喉部下游段采用了CFRC。固定体和柔性接头绝热层采用了碳纤维填充三元乙丙橡胶(EPOM);海军三叉戟Ⅱ型(D-5)的第

一、第二级发动机采用了CFRC。

发动机壳体：导弹发动机壳体的减重，有利于提高导弹射程。美国“北极星”导弹的固体发动机壳体由金属材料到CFRP材料制造，射程提高了1倍左右。例如，“北极星”AⅠ型的两级壳体都用钢，射程仅为2 200 km;AⅡ型第一级为钢，第二级用GFRP，射程提高到2 800 km;AⅢ两级都用GFRP，射程提高到4 600 km。三叉戟Ⅱ型(Trident-Ⅱ，D-5)，固体发动机壳体采用了CFRP，射程由Ⅰ型的7 400 km提高到12 000 km，命中精度为90 m，成为当前潜射洲际弹道导弹的主要型号。而且，美国目前的新型火箭，基本连壳体都是CFRP复材制成，重量轻、体积小、射程远。

再入弹头：洲际弹道导弹的头部大面积防热材料大多采用粘胶基碳纤维增强酚醛树脂。美国Amoco、Hitco公司和白俄罗斯的斯威特朗冈斯克(СВЕТЛОГОРСК)是世界上生产粘胶基碳纤维的主要大厂。不但防热效果好，而且粘胶基碳纤维和酚醛树脂的纯度高，碱、碱土金属的含量相当低，重返大气层过程中形成的烧蚀尾流含金属离子少，不易跟踪，加强了导弹的突防和生存能力。

级间联接：美国GE公司为“阿特拉斯”导弹设计的高2.34米的联接器，除口盖之外全部采用碳纤维环氧树脂复合材料，比铝合金减重44%。

卫星结构材料：美国康维尔公司为双元“OV-I”卫星制作了CFRP的四根大梁结构，减重68%。美国”ATS”卫星的地球观测舱CFRP连接支架，长4.4米，仅重3.6公斤，可承受9顿负荷。比最好的金属支架减重50%以上，而且高低温度下的变形很小。

有鉴于此，分析了一下印度烈火-5导弹的公开报道(17.5米的长度，50吨的重量，1吨的弹头，长细尖锐的弹头外形„..), 估计其尚不具备火箭发动机CFRP壳体，或者火箭CFRP外壳，且缺乏长程洲际导弹高弹道再入大气层所需要的粘胶基碳纤维的独立生产能力。果真如此，那么面对其航天大国和洲际导弹强国的炫耀，只能说，印度的进步是显著的，差距也同样显著。

这位说了，说人家阿三，咱自己中不中啊?呵呵，咱往下看。

国内方面：

据《合成纤维》等杂志和网上的公开报道，我国在战略武器方面的碳纤维应用情况如下：

火箭发动机壳体：中国的GFRP固体发动机壳体始于20世纪80年代，并已取得成功。“东方红-2”通讯卫星运地点发动机、“风云-2”气象卫星运地点发动机和“长征-2E”发动机的壳体都采用了GFRP来制造。我国研制成功的大型(壳体直径1 402 mm，长2 058 mm)SPTM-14发动机与长二捆火箭配套，成功地将模拟卫星送入轨道，标志着我国大型GFRP壳体进入实用阶段。之后，我国研制成功的EPKM-17上面级发动机壳体(直径1700 mm，长1 874 mm)与长二捆大推力火箭配套，于1995年末成功地将“亚洲二号”卫星和“艾克斯达一号”卫星送入36 000 km的太空。

火箭导弹壳体：我国研制CFRP壳体也取得了长足进步。1990年代后期，进行了T300固体火箭发动机壳体的基础试验、壳体结构强度试验、点火试车等全程考核，完成了12K T700 CFRP壳体结构强度试验。第一个用在型号上的是“开拓者一号”固体小运载发动机的第四级(直径640 mm)，并于2003年9月飞行成功。实现了CFRP壳体的历史性跨越。目前，T800 CFRP壳体预研试验已经展开。

喷管喉衬：我国研制的C/CFRP喷管于1989年点火成功，出口壁厚最薄处仅为0.9 mm的大尺寸(Ф500～2 000 mm左右)喷管显示出优异的综合性能。

再入弹头：根据《东华校友》“创制国防尖端材料的科研先锋——记上海市劳动模范潘鼎教授”一文报道，2001-2003年度上海劳动模范，东华大学材料学教授、博士生导师潘鼎教授，主持了“300Kg/年粘胶基碳纤维扩试线”这一国家级重大军工科研项目，用不同于国外原料的国产棉纤维素原丝制成了填补国内空白、产品质量达到国际先进水平的高纯度航天级粘胶基碳纤维，成果无偿转给中科院山西煤化所，进行放大生产。课题组还制定了“GJB3839-2000”国家标准，形成了具有独立知识产权、世界上独一无二的，用棉纤维素粘胶帘子线制备碳纤维的技术及应用设备。该技术和产品荣获2003年度国家科学技术进步二等奖，解决了DF-31导弹的定型难题，并使我国已成为美俄之外，能够独自掌握这一产品及其生产技术的世界第三大国。

卫星结构

据中国质量新闻网报道，我国2011年发射的嫦娥二号探月卫星，其定向天线的重要支撑部分，定向天线展开臂，是由哈尔滨玻璃钢研究院研发的CFRP复材，总重量仅500余克，较使用铝合金材质减轻近300克，但承重能力毫不逊色。

有朋友说，300克算什么啊?呵呵，要知道，卫星的减重，是以克计的，少1克，能节约500克燃料。少300克，卫星就可以多带一个相机或望远镜，多完成一些任务。再看看减重比例：40%，还是很有效的，呵呵。

总结

至此，关于碳纤维及其复合材料在航空航天领域的发展浅析系列文章，就此打住了。

有朋友问：你说了这么多，那么在碳纤维复材的航空航天应用上，中国在世界上究竟处于什么位置呢?

这个问题，兵器迷可回答不了，咱们借用中国材料大师师昌绪老先生在2010年的评论：目前中国的CFRT应用，大约处于西方发达国家1980年代的水平。

从上面的介绍可以看出，中国的碳纤维复材，在军用领域紧追慢赶，亮点不少。但在民用航空领域的发展，一直大幅度落后于美欧日等国家，直接原因是成本太高，比要替代的铝合金贵的多，甚至比钛合金还要贵。

这其中的间接原因是多方面的。

首先，战略军用小丝束产品，得益于两代“核心”领导的重视，T300军用碳纤维的完全国产化，使得次承力结构军用构件有较快的发展。而民用大丝束领域的政策扶持相对滞后许多。实际上，国家当年资源人力都有限，为了救急，集中精力搞军用小丝束，是完全合理的。但是，从长远来看，通用、民用产品的市场空间更大，是碳纤维行业持久发展、持续创新的厚土沉基。在军品已经打开突破口，经济发展、国力增强的今天，不要说大丝束，即便是小丝束产品，也应当更多的从市场和民用角度，拓宽其行业基础，以军带民、以民养军、分苗嫁接、开枝散叶，形成军用技术和民用产业的良性互动。这是政策层面的原因。

第二，国内十数家碳纤维生产厂家，群雄并起，看似热闹，实际上有很大一部分并没有掌握核心技术。要么是关键设备、关键材料需要进口，要么是工艺参数和质量控制没有吃透。甚至，很多企业到现在，PAN原丝生产还要高价进口东丽公司的DMSO溶剂，属于照猫画虎形的“自主生产”。多数厂家的产品质量批次差异性较大，缠结、断丝时有发生，合格的PAN原丝生产量不过100吨/年，达不到基本规模经济水平。产业布局和关键技术的把握，都有很大的提升空间。这是PAN原丝和碳纤维生产层面的原因。

第三，在预浸料自动铺叠技术和整体成型工艺，已经成为发达国家成熟制造技术，但对于中国航空航天碳纤维复合材料领域，依然是工业化生产中最大的一块短板，甚至空白。即便有了引进设备，我们对复材的物理性质，力学性能研究不透，对加工参数掌握不足，知其然不知其所以然，直接用国外的软件设计复材方案，导致CFRP复材的产量低、价格高、质量不稳定和创新能力低下。军用部件不计成本，也就罢了，而对商业化批量生产和应用，这就是一个重大的阻碍，很多厂家为此畏难而退，裹足不前，干脆直接用已经摸透的金属材料做更有把握和更经济。这是复材生产层面的原因。

第四，航空航天器的设计，需要结合复材性能特性，加强整体设计的思想，而不是简单的替换原金属部件。举一个简单的例子，国内某型军机的平尾改用CFRP复材后，确实轻了不少，但却因此改变了全机力矩平衡，需要通过配重进行调整，结果整机减重效果并不理想。当然，逐项替代也是一种有效的验证步骤，但有一种理念需要强调：局部优化不代表整体优化。在复合材料应用愈加广泛的今天，顶层设计，全局优化，才能最大化的发挥复材的最大功能效用和经济效用。这是设计思想层面的原因。

写至此处，兵器迷觉得笔端异常沉重——回顾碳纤维复材的发展历程，我们再一次感受到美国的强大和日本的扎实。这种强大是深入骨髓的，这种扎实是无所不在的。在碳纤维这个领域，他们傲然前行，卓越领先。

这里面有着深层次的原因。如果不能正视这种真正的领先，反而意淫着多少年GDP赶上美国就扬眉吐气了，那么GDP第一长达上百年的大清朝颓然崩坍的历史，就可能重演。如果不能从长效机制和基础研究上练真功夫，那么我们今天的进步就可能是局部甚至短暂的。

当然，承认现实不代表低头认输。中国强大过数千年，也落后过数百年，并且已经追赶过数十年。虽然领跑者的数量和差距正在缩小，但学习和追赶仍将是我们这个民族今后很长一段时间的常态。怀着这样的心态来看问题，美日的领先和强大，就能够成为中国崛起成型过程中最好的热压罐——我们今天的挫折和困难，就像碳纤维和复材形成过程中的高温和预浸料。忍辱负重、脚踏实地、科学精心地调制这一痛苦和严苛的过程，是中国军工，乃至中华民族走向真正强大的必经之途。

期盼着中国制造碳纤维的千丝万缕，胜金克铁;

憧憬着中国碳纤维复材制造的航空器，自由高飞。

第二篇：碳纤维复合材料在航空航天领域的发展浅析(二). 工艺篇

上回的《基础篇》，介绍了碳纤维的基本概念。这一回，咱们分别聊聊碳纤维(CF)和碳纤维复合材料(CFRP 两方面的生产工艺——用说书的话来讲，这叫花开两朵，各表一枝。

喜欢用说书的方式讲兵器，觉着特亲切，呵呵。

一碳纤维的生产

碳纤维根据基本材料不同，可分为PAN基、沥青基、酚醛基、纤维素基…..等不同的生产工艺。这次，我们只谈军用高性能聚丙烯腈PAN碳纤维的生产工艺。虽然PAN基碳纤维生产细节的保密度比较高，但是大致的原理是公开的，先概要的介绍一下其生产过程。

如下图1所示，PAN基碳纤维的生产，从原料单体到原丝、再到碳纤维成品加工，各道工艺的紧密相连，可以在一个车间内连续的完成全套工艺流程。

图1：碳纤维主要生产工艺流程图

国内有部分厂家，既没有上游的PAN原丝生产能力，又没有下游的碳纤维复材生产能力，只能直接购买国外原丝，再进行预氧化和碳化的后续处理生产碳纤维。好比吃鱼，头尾嫌刺多,不舍得下功夫，于是就吃个中段儿，居然也号称自己能做碳纤维，游说国家投入巨资。我们有些人“走捷径”的本事，那不是一般的高啊，呵呵。

由于《基础篇》所述研发技术的原因，碳纤维的生产，在国际上一直由美、日两国主导。目前能够进入批量工业化生产的最高级碳纤维是T800，T1000等更高品级仍在实验室阶段。航空主承力级和航天级的碳纤维工艺技术，国外对华一直封锁。就连高性能PAN原丝，如T800原丝, 以及部分碳纤维成品，也都对华禁运——日本曾经对卖高级碳纤维给中国的人员判刑严惩。

兵器迷这个不忿啊——哪天咱们发达了，也开个单子，以下产品和技术，对美日禁运……嘿嘿。

中国人什么都怵，就是不怵禁运——逼到无路可走，唯有痛下苦功。所以军用高性能碳纤维的生产，自“六五”以来一直是国家重点研发和实施科技产业化的攻关项目。十五期间，在国家863项目的推动下，形成了北京化工大学、中科院山西煤化所和山东大学为主的三个研发基地，和江苏、吉林、山西、山东为主的四大生产基地。经过近30年的努力，取得的成绩应当说是可圈可点：

T300的生产

根据中国玻璃纤维复合材料信息网 2008年的报道，中复神鹰碳纤维有限公司万吨碳纤维一期工程，2008年底在江苏连云港正式投产，目前形成 1000吨规模碳丝生产能力。该公司曾于2007年5月实现了碳化生产线投产，当时碳纤维产量只有20吨左右。此后新建了2500吨PAN碳纤维原丝和1000吨碳化生产线。以45%股份成为神鹰第一大股东的中国复合材料集团董事长张定金强调，T300从设备到产品已实现百分之百国产化。而且在技术研发上，河南煤业化工集团已经拥有PAN基T300碳纤维完整的知识产权体系。军工部门评价说：“T300的完全国产化，使得军用次承力结构碳纤维获得了完全自主权”

至此，可以说，通过T300级军用碳纤维的国产化，走出了中国打破国外垄断和技术封锁的第一步。产品批量生产当年，T300进口价应激性的跌了一半，呵呵。(两年后因为需求量大价格又上去了，这是后话)

T700的生产

据2012年中国航空报报道，中航工业董事长林左鸣率队赴位于江苏常州国家高新技术区的中简科技发展有限公司考察调研。中简科技成立于2008年，承担国家“863”计划高性能碳纤维项目，依托中科院山西煤炭化学研究院的技术团队，经过4年时间，建立了T700碳纤维产业化生产线，年产量可达300吨。主要设备的国产化率达98%，是国内第一条T700高性能碳纤维生产线。林左鸣明确提出，中航工业对国产碳纤维产品进行支持，规定成员单位必须使用已达标的国产碳纤维产品。

兵器迷点点头，这就对了。这种战略性问题，不能只讲究什么市场经济规律，该补贴的要补贴，该保护的要保护，扶上马还要送一程。

T800的生产

据江苏经济报2012年7月消息，江苏航科复合材料科技有限公司建成我国首条T800碳纤维产业化线。该项目2009年底启动，航科投入2.5亿元，从原丝到成品技术均为自主研发，生产线的开工负荷已提升到90%，5个月来累计产出成品500千克，合格率达到90%以上. 拉伸强度、拉伸模量、断裂延伸三大主要性能指标以及线密度、导热率等其他各指标，都与东丽公司的T800产品相当。目前，江苏航科已申请专利85项，其中24项获授权。

从原丝开始做出来，与东丽指标相当，且有自己的专利技术，这是可喜的事情，希望早日看到国家级鉴定。

可以看出，中国军用小丝束高性能碳纤维的生产，从下游煤化工入手，通过产学研联合攻关的模式，已经取得了可观的进展。T300已经实现了年千吨以上的规模化生产，T700达到了年百吨规模的批产规模，T800也看到了曙光。

不过，问题也不少——看兵器迷的文章，一般先报喜后报忧，这也是规律，呵呵。

首先是横向比较，差距巨大。对于最高端的T800，江苏航科5个月的产量只有500公斤，即每个月100公斤的规模，可以说仍然在试生产阶段，距离真正的工业化生产和商业化盈利，还有很长一段路要走。而且，T700未实现100%国产化，T800国产化就差得更远。而美国波音公司，1985年T800就出来了——看到了吧，差距30年啊，呵呵。

当然，做不出来的时候，连可比性都没有，想说你究竟落后多少年都说不出来。现在从无到有，毕竟能比了，也算一种进步吧。

第二就是质量不稳，废品率高。即便是正品，各批次生产的碳纤维的性质也有差异，影响了后续复合材料的生产效果。而且难以搞清其中的原因——同样的生产线和生产工艺，这一批合格，下一批不合格;这一批模量高，下一批模量低，究竟是为什么呢?

主要还是因为，高性能碳纤维的生产工艺灰常、灰常繁复，可以说到了苛刻的地步。兵器迷在这里给出很少几个例子，来说明一下其工艺难度：

例1：很多工艺需要加入不同种类的的稳定剂、催化剂。比如预氧化过程中，纺丝液就需要加入路易斯酸、胫胺、有机金属络合物盐、铝、硼、钛的金属有机化合物以及十二烷基苯磺酸钠类的金属盐等等稳定剂，重量必须在原料的0.1-0.2%左右。

例2：各工序的温度和速度的控制精密。比如纺丝的多段凝固工艺中，第一段的温度为35-80℃，结束后1秒中内，就要迅速进入第二阶段。预氧丝在70毫克/袋的张力下，于惰性气体中加温，必须以每分钟30℃升到600℃。再以每分钟1000℃升到1300℃，同时保持20秒。丝毫不能马虎。

例3：设备运作要求高。比如：预氧化过程中，4组导辊的直径有严格要求，而且表面温度必须分别为285℃，285℃，285℃和315℃,且丝束通过导辊的速度要求为毫米级/秒精度。

例4：物理处理手段同样精密。比如，为防止碳化后碳丝强度降低，在碳化前对预氧化炉出口处对丝束施加0.005-0.1克/袋的张力，并对丝束喷热气流，将单丝吹开，改善丝束强度。

碳纤维的生产工艺参数和运行控制，是一个庞大的体系。其中无论哪个因素，操作时稍有不慎，就会前功尽弃，僵丝、断丝、排焦、起毛、缠结….各种问题层出不穷。所谓„差之毫厘，谬以千里”，就是这个意思。

中国碳纤维行业生产长期徘徊在“能做出来，就是做不好;能做好，就是贵”的尴尬局面中，说到底，咱们对碳纤维生产的脾气，还没有摸透啊。国人大干快上的性子，对这种需要精益求精的水磨工夫，还真有点不适应。

那么，那就踏实下来，养养性吧。不只是碳纤维这个行业，我们整个民族，都需要从浮躁、表面化和一鸣惊人的短期行为模式中解脱出来，不求闻达、埋头积累、夯实基础、渐取徐图。

话扯远了，咱们来看看第二个话题——

二、碳纤维增强复合材料(CFRP)的生产

CFRP,根据基体材料和增强工艺的不同(比如陶瓷基、金属基复合)本来是一个庞大的家族。我们这里只谈基本CFRP生产工艺。大体上有两种，即预浸料-热压罐固化成型工艺，和液体成型工艺。由于前者是航空结构构件的主要复材工艺，今儿就重点聊聊它。

1、预浸料。

预浸料-热压罐固化成型工艺的第一步，就是把碳纤维放入热固性高韧性树脂预浸料进行预浸、吸胶，并加温进行固化。

近年来，航空复材构件已经日趋大型化和整体化，以减少复材之间的机械装配和紧固环节，达到提高性能、降低成本、减轻重量的目的。但由此也带来了麻烦——部件越大，其在热压罐内固化过程中的温度控制就越难保证均匀持续，从而导致质量下降。美国在预浸料-热压罐工艺的材料成本中，预浸料废弃率平均为40%。因此，“零吸胶”、“常温加压”的先进预浸料，就成为业内的发展方向。

碳纤维的生产，上面聊过，国内与国外相比是有很大差距的。但树脂预浸料，我们的差距相对小一些。根据航空制造网的消息，国内开发的环氧树脂预浸料碳Ⅷ /BA9918 预浸料、碳Ⅶ /BA9916-II 预浸料、CCF300/BA9916-II 预浸料和双马树脂预浸料CCF300/QY9

511、碳Ⅶ /QY9611，都可做到“零吸胶”、“常温加压”，部分预浸料已用于多个型号产品的生产，与美国波音公司的材料有着类似的性能。如下表1：

表1国内外部分双马树脂基韧性复合材料性能(第一列碳Ⅶ /QY9611为国产)

表2：国内外部分环氧基韧性复合材料性能(第一列碳Ⅶ /QY9611为国产)

咋样?和老美比一比，咱们的树脂基不差啊，呵呵，振奋一下。

碳纤维有了，树脂基复材也有了，万事俱备，可以来炒碳纤维复合材料这盘菜了。在这方面，我们就不乐观了。

2、预浸料-热压罐整体成型工艺

用预浸料-热压罐工艺生产碳纤维制造复合材料，要先将碳纤维浸溶在树脂溶剂里，进行铺叠成型。接着经过模具工装进行表面组装固定，在部件接触面贴胶。其后进热压罐100-130度固化，并通过紧固成为成品构件。

美国采用预浸料-热压罐固化成型工艺制造航空制造复合材料的成本中，材料占15%，预浸料铺叠占25%，装配占45%，固化占10%，紧固工艺占5%，

看到了吧?预浸料铺叠和装配在成本中占了70%，这也是咱们关注的重中之重。

早期复合材料制造的大型构件，通常是由各自成形好的部件，通过机械连接组装而成。这样的方式增加了结构的自重，不能很好地发挥复合材料的优点。随着技术的发展，大型复材结构逐渐实现了预浸料- 热压罐整体化制造，其工艺可分为三种：

共固化：不同部件分别铺叠，整体进热压罐固化。

共胶接：先完成一个部件的固化，再铺叠其他部件，整体进热压罐共胶接。

后胶接：各部件分别铺叠、分别进热压罐固化，然后整体再次进热压罐胶接。

喂，兵器迷，太太太……抽象了!

是是是……挠头。没别的办法，再举几个例子吧。

例1：壁板类工艺

对于飞机尾翼、机翼和非筒体成型的机身，需要壁板类的大型复材，这类结构主要由蒙皮和长桁组成，其成型工艺有以下几种方式。

共固化：分别铺叠蒙皮和长桁，通过模具工装将其组合在一起，接触面铺胶膜(或不铺胶膜);之后整体进热压罐完成共固化。

胶接：蒙皮先固化，再铺叠长桁，通过模具工装将其固定在已固化好的蒙皮上，接触面铺胶膜，之后进罐完成共胶接。或者反过来，长桁先固化，再与蒙皮共胶接。

后胶接：分别固化蒙皮和长桁;将长桁进行必要的加工;通过模具工装将蒙皮与长桁组装，接触面铺胶膜，之后进热压罐完成胶接。

在实际生产中，上述三种工艺可以混合使用。

例2：盒段整体工艺

对于飞机翼面，需要上、下蒙皮与骨架一体成型的整体盒段，按照用途，主要有三种工艺：

一是基于“π”形接头的盒段结构胶接成型工艺。主要用于飞机平尾、垂尾。

二是基于T 形接头的骨架与上、下蒙皮共固化/胶接一体成型工艺，通常用于飞机平尾、垂尾部分，如目前波音787 的平尾即采用了这类成型工艺。

三是基于T 形接头的骨架与下蒙皮一体共固化/胶接成型工艺，通常主要用于战斗机的机翼主承力结构。如欧洲EF2000 机翼、日本F2 机翼。

例3：筒体成型工艺

对于航空器的机体，其复材结构方案有两类，一类是将机身的每段筒体分为四块壁板分别成型后，再用机械连接方式对接，空客A350XWB 即为这种工艺方案;另一类则是将机身每段筒体整体共固化工艺成型，其代表机型是波音787。

壁板、盒段、筒形制件，涉及飞机翼面、机身的主要组成部分，近年来一直是国内外复材应用的核心领域。对此感兴趣的朋友，请记住预浸料-热压罐这个晦涩拗口，但是意义重大的术语吧。

在预浸料-热压罐工艺中，预浸料的手工铺叠是人工成本和人工时间消耗最大的一个环节，这种工艺的速度慢、质量低、时间长、人工成本高。因此，铺叠自动化，就成为这个工艺中最讲究的部分。如果说，预浸料-热压罐是航空复材生产工艺的皇冠，那么铺叠环节的自动化工艺，就是这个皇冠上最耀眼的那颗钻石。

3 预浸料铺叠自动化技术

目前，业界对手工铺叠改进的方式主要有手工自动铺叠、自动铺丝、自动铺带三种：

3.1手工铺叠的自动化/ 数字化技术

即采用预浸料自动剪裁下料系统和铺层激光投影定位系统等。采用专门的数控切割设备来进行预浸料和辅助材料的平面切割，从而将依赖于样板的制造过程转变为可根据复合材料设计软件产生的数据文件进行全面运作的制造过程，大大提高了手工铺叠的工作效率和铺叠质量。

3.2自动铺带技术

分为平面式自动铺带机(FTLM)和曲面自动铺带机(CTLM)2种，主要用于铺放小曲率的大型复合材料构件，如翼面类构件的蒙皮，可成型超大尺寸和形状复杂的复合材料制件，且质量稳定，缩短了铺层及装配工时。与手工相比，先进铺带技术可降低制造成本的30%~50%。

第一台计算机数控(CNC)自动铺带机是在美国空军材料实验计划下由General Dynamics公司和Conrac公司合作开发的，于80年代正式用于航空复合材料构件制造。90年代后，西欧开始研制生产自动铺带机。制造自动铺带机的技术主要被欧美掌控，如美国American GFM Corporation、Cincinnati Machine、CityMachine Tool&Die Company、ITW Workholding、Ingersoll和欧洲的M.TORRES(西班牙)、FOREST-LINE(法国)等。

3.3自动铺丝技术

自动铺丝，实际上是在自动铺丝+自动缠绕技术基础上发展起来的，专为曲率较大的双曲面蒙皮构件的铺叠而开发的技术，适用于大曲率机身和复杂曲面的成型，如军用和民用飞机双曲面翼身融合体、S形进气道。自动铺丝可以按构件型面增减纱束根数，可根据构件形状自动切纱适应边界，因此废料率很低(3%～8%)，可完成局部加厚、加筋、铺层递减、开口补强等操作，铺放轨迹自由度更大，可变角度铺放，能适应大曲率复杂构件成型。

老美诺斯罗普•格鲁门公司1995年购进第一台自动丝束铺放机，将其用于F/A-18E/F的进气道、机身蒙皮、平尾蒙皮的制造。2010年将有40～50台机器投入使用。目前自动铺丝技术的代表是美国辛辛那提机床公司Viper 纤维铺放机系统，有Viper1200、Viper3000，Viper6000系列铺丝机。

唉，美国，美国，总是美国。要是有《复合材料自动铺叠技术史》这本书，那目前就只有一个作者——美国。

兵器迷爱唠叨，呵呵。

看完人家的，再瞧瞧咱自己的：

国内情况：

手工铺叠自动化：目前我国在研和批量生产的航空用先进复合材料构件大部分仍在使用手工铺叠，虽然也通过预浸料自动下料机和激光投影仪，大幅度提高了复合材料构件的铺叠效率，但这两种设备大多需要进口，而且对于大型构件，依然难以保证铺叠质量和速度。

国内自动铺带机：中国正在起步研究的阶段。根据航空制造网的公开报道，北京航空制造工程研究所研制的6m×20m 大型自动铺带机(如图2)，开始在新型飞机的复材构件研制中得到实验性的应用。但就整个行业来说，远未达到规模化应用的程度。

国内自动铺丝机：至于更上一层楼的自动铺丝机，尚未见到有国产化设备投入应用的报道。

图2:北航工程研究所研制的6m×20m 大型自动铺带机

大家看到，手工自动铺叠，咱们在引进条件下推广应用;自动铺带机，咱们落后了30年，现在刚开了个头;自动铺丝机，我们连头还看不到啊!

手搭凉棚，望着云端外十万八千里的身影，气喘吁吁的喊道：“猴哥……你等一等啊……!”

但是，先行者是不会等咱的，只有自己咬牙赶上去。而技术的追赶，又何尝不是另一个求取真经的“长征”。但愿我们不缺长征的意志和信念，相信我们会有与最强者并驾齐驱的一天。

4 纤维缠绕设备

关于碳纤维复材的成型设备，还需要提一下数控纤维缠绕机。它主要用于强韧性碳纤维通过缠绕，成型为圆筒、圆锥、球、双曲面回转体、组合体回转体等构件，也可以进行矩形截面、多项式等多维复杂曲面和组合体形状结构件缠绕，如火箭发动机壳体、各种弹体、卫星结构件、水处理设备、天然气储罐、医疗防火用压力容器等等。也是国外一直对华禁运的东东。

根据《机床工具报》报道，2007年11月，国产大型数控纤维缠绕机在齐齐哈尔第二机床厂问世，其SKCR165/1200型数控纤维缠绕机，为五坐标控制、四坐标联动，是树脂基复合材料缠绕成型构件的大型数控专机。该机包括五坐标控制四坐标联动的缠绕轨迹控制系统、张力自动控制系统、温度自动控制系统和质量保证系统，为中国火箭发动机CFRP壳体的制造奠定了坚实的基础。

表3：自动化铺叠和缠绕设备表

最后，中国商务部网站2012年发布消息，隶属於中国航空工业集团公司的西安飞机工业(集团)有限责任公司，收购了奥地利最大的波音飞机配件公司FACC 91.25%的股份。FACC的主要产品，包括复合材料飞机结构件、复合材料发动机结构件、飞机复合材料内饰。希望他山之石，可以攻玉，为提高国内航空复材的生产工艺水平，再添一把力。

图3 FACC公司生产航空复合材料

小评：

无论碳纤维还是碳纤维复材的生产，都有一个重要特征，就是生产的连续化程度非常高，工艺开端是原料，工艺末端是成品,中间几乎没有半成品的概念。这种高度集成的连续化生产，带来了正反两方面的影响：

反面：在金属加工行业，工艺落后往往意味着性能降低，但很多时候也能通过钣金加工、铆接、配重、甚至手工打磨修挫做出来。而做出来了，也就能凑合使。但碳纤维领域，工艺落后往往更意味着废品，不仅是性能寿命下降的问题，而是根本就无法使用。因此，碳纤维复材的生产，是“行百里者半九十”的概念——只是在实验室做出复材样品，只和完成了一个概念设计差不多，后面的工艺关，那才是重头戏。设计定型和生产定型因此紧密耦合——几公斤样品，距离用成熟工艺批量生产复材，可差了十万八千里啊。出于同样的原因，复材制件的日常维护、测试、修复的经验、流程与方法，与金属构件相比，也会发生颠覆性改变。

正面：在金属加工行业，工艺创新往往带来性能提高;而在碳纤维领域，工艺创新除了提高性能，往往更能够直接带来产品创新。一种新工艺，甚至可以带来CFRP的一个变种产品分类。比如，增强热缩性塑料工艺，形成CFRTP;增强C工艺形成CFRC(也称C/C,就是碳/碳复合材料)，增强金属工艺形成CFRM，增强橡胶工艺形成CFRR,等等。又如，整体成型工艺，形成了前所未有的超大壁板和整体段件航空制件。倒过来说，没有对复材工艺的理解和创新，就没有对复材产品的理解和创新。

目前，CF的先进工艺，主要把持在日本手里;CFRP的先进工艺，主要掌握在美国人手里。而且其更新和推广的速度之快，令人惊心。而国内在这个领域，如上文所述，依然存在着大片的空白。这些空白直接导致先进复材产品系列的缺失。比如在美国航天航空领域开始规模化采用的金属基和陶瓷基碳纤维复合材料，甚至没有进入2010版的《中国航空材料手册》。换句话说，如果我们不在工艺基础上下功夫，指望着山寨外援、避重就轻、零敲碎打、投机取巧，是无法在航空航天复材上获得全面突破的。

金属工艺与复材工艺，完全是两个世界。国内航空业能在金属工艺领域驾轻就熟的同时，在复材工艺相对陌生的广大空间转换思路、刻苦耕耘、大胆求新，无疑是一个很大的考验。

看过了碳纤维和复材的生产工艺，那么中国碳纤维复材的应用水平又如何呢?

欲知后事如何，且听下回——《应用篇》分解。

第三篇：国内外碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势

自上世纪60年代碳纤维首次商业化以来，产业规模不断扩大，产品品质不断提高，2014年全球碳纤维产能(365天连续生产12K/24K碳纤维丝束计算)已达到12.6万吨。尽管碳纤维与传统的玻璃纤维在价格上仍不能相比，但高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等突出特点，具有玻璃纤维所不能比拟的优势，已成为发展先进武器装备的关键材料，并在航空航天、国防军工、风能产业、土木工程、体育休闲等领域得到了广泛应用。

当前，国际复合材料产业呈现蓬勃发展态势，据估计，未来5年，先进复合材料将以每年 5%的增速发展，而随着民用航空、汽车工业等领域的快速发展，全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%，亚太地区将会有更高的增长率，即碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。

因此，在目前碳纤维产业快速发展的关键时期，我们更应该认清国际碳纤维产业的发展形势、对照国外先进企业找差距找问题，通过理性思考寻求解决途径，适时把握发展机遇，落实行动、注重实效，努力推进国内碳纤维及其复合材料产业的健康快速发展。

1、 国外碳纤维产业现状及发展趋势

1)产业方面

根据前躯体原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基碳纤维等。由于粘胶基碳纤维在制备过程中会释放出毒性物质二硫化碳，且工艺流程长、生产成本高、整体性能不高，因此目前，国际碳纤维产业领域，前两种碳纤维获得了更大规模的生产和应用。其中，PAN基碳纤维又占据绝对优势，国际市场占有率超过90%。PAN基碳纤维的九大生产商包括：日本东丽、东邦、三菱丽阳、美国赫氏(Hexcel)、氰特(Cytec)、卓尔泰克(Zoltek，已被东丽收购)、台塑、土耳其阿克萨(AKSA)和德国西格里(SGL)。沥青基碳纤维的生产和应用居其次，主要生产企业三家，分别是Cytec、三菱塑料和日本碳素纤维。

PAN基碳纤维分为小丝束(1-24K)和大丝束(36K及以上)两类。全球小丝束碳纤维市场主要被日本东丽、东邦、三菱丽阳三家公司所垄断，而来自中国、土耳其和韩国的企业，正不断扩充小丝束的全球产能，同时也降低了三家日本公司的市场份额。

大丝束碳纤维生产商主要有Zoltek、SGL和三菱丽阳三家。另外，中国国企蓝星集团英国分公司拥有大丝束碳纤维原丝的供应能力，Cytec于2014年与德国腈纶企业合作开展低成本大丝束碳纤维的研制开发。预计在未来10年中，其它制造商也会陆续加入大丝束碳纤维生产领域。

为满足高速发展的航空航天与汽车市场对碳纤维的需要，几乎所有的碳纤维巨头都宣布了扩产计划。例如，日本东丽拥有以日本本土为核心的日美法韩4个生产基地，目前已形成11000～12000吨/年的T700S和4500吨/年的T800碳纤维生产能力，并宣布PAN基碳纤维的总产能于2015年达到27100吨，2020年扩大至50000吨。另外，Hexcel在欧洲大幅度扩产，三菱在美国与本土扩产，Cytec已经基本完成美国的双倍产能扩产计划，SGL也在美国接连扩产。各企业的碳纤维生产已基本实现了全球布局，为进一步实现从原丝到下游复合材料制品的全产业链一体化协调发展奠定了硬件基础。 2)技术方面

目前，国外高强、高强中模碳纤维的产业化制备技术成熟，规模化、自动化程度高，关键核心技术掌握在日、美等国手中。其中，日本东丽公司凭借其强大实力研制并形成了包括T300、T700、T800、T1000等在内的高强系列和包括M35J、M40、M40J、M55J、M60J、M70J等在内的高模和高模高强系列产品，一直占领着碳纤维技术的制高点，令对手难望其项背。美国Hexcel经过多年的研究，在IM9高强中模碳纤维基础上，研制出IM10碳纤维，主要力学性能超过日本东丽T1000，并成功应用于大型客机。IM10推出两年半后的2014年初，东丽公司宣布推出T1100碳纤维，重新夺回碳纤维技术的领先地位。

目前，低成本技术已成为碳纤维及其复合材料发展的迫切需求和重要趋势。为了进一步推进行业的快速发展，国外各碳纤维生产商正开展碳纤维产品规模化、稳定化和低成本化生产技术方面的研究。

2、国内碳纤维行业发展现状 1)产业技术现状

在国家科技和产业化示范计划支持下，近10年来我国碳纤维制备与应用技术，实现了从“无”到“有”的转变，出现了前所未有的产业化建设高潮，初步建立起国产碳纤维制备技术研发、工程实践和产业建设的较完整体系，产品质量不断提高，碳纤维及其复合材料技术发展速度明显加快，有效缓解了国防建设重大工程对国产高性能碳纤维的迫切需求，部分型号用碳纤维及其复合材料的国产化自主保障问题基本解决。

目前，T300级碳纤维已实现千吨级产业化，产品成功应用于航空航天和武器装备，民用市场正在推广;T700级碳纤维千吨级生产线已经建成，产品进入应用考核;国产T800级高强中模碳纤维吨级线建成并已批量生产;高模及高模高强碳纤维的产业化仍为空白，其工程化制备关键技术急需突破;更高等级的高强中模和高强高模碳纤维制备关键技术亟待攻关。

截至2014年底，我国已拥有碳纤维生产企业近40家，理论设计总产能达到1.96万吨。已建成6条千吨产能(含配套的原丝生产能力)、7条五百吨产能的碳纤维生产线(含配套的原丝生产能力)，拥有千吨以上规模生产线的企业4家，五百吨级的企业(或企业联合体)5家，主体产品为12K及以下的小丝束PAN基碳纤维。

据统计，2007年以来，国内碳纤维产量逐年增加，从2007年的约200吨，增加到2014年的约2600吨，但产能释放能力弱的问题依然非常突出，2014年的碳纤维实际产量不足设计产能的20%。一方面，我国碳纤维企业普遍开工不足、设备闲置、产能浪费，生产成本居高不下;另一方面，受国际碳纤维行业巨头的蓄意压制，碳纤维售价一跌再跌，甚至跌至成本以下，碳纤维企业面临着生产越多亏损越多的局面。目前，我国碳纤维企业长期面对“内忧外患”困扰，几乎全部处于亏损状态，大部分企业只能减产甚至停产，生存状况不容乐观。

2)存在的主要问题

目前，我国碳纤维技术、设备、品种和性能等方面还处于起步阶段，与发达国家相比仍有较大差距，无论产量、质量均有待进一步提高。存在的主要问题包括： ① 重复建设多，产能利用率低

具有国际竞争力的全球九大碳纤维制造商中，日本3家，美国2家，而在近几年中，我国碳纤维产业在国家政策的引导下，各地的碳纤维项目如同雨后春笋般纷纷上马，导致目前的碳纤维企业超过30家。投资建设的企业不少，但同时同质化发展的低水平投资现象居多，又由于自主创新能力不足，导致产能规模小、利用率低、竞争力弱，严重制约了碳纤维产业的健康发展。 ② 技术相对落后，产品质量差

我国碳纤维产业目前相当于国外碳纤维企业上世纪80年代的水平，缺乏具有自主知识产权的核心生产技术，工艺技术的多元化体系建设尚不完善，原丝生产的技术路线单一，生产工艺稳定性差，生产过程能耗、物耗偏高，成本居高不下。

同时，国产碳纤维产业创新团队力量不足，原始创新能力相对较弱，导致国产碳纤维表现出产品性能稳定性、可靠性差，与树脂产品复配的应用工艺性差，高端产品产业化水平低，与国际同类产品差距显著。

③ 部分关键装备落后，设计制造能力有待突破

目前，国内缺乏大型专用生产设备的设计制造能力，对引进装备的二次改造能力也不强。尽管一些企业已开始装备国产化的研究，但自主设计、制造能力相对较弱，装备的工艺适应性、系统可靠性和控制水平等方面与进口设备仍有较大差距。使得碳纤维综合指标协调与可控性不高。因此，缺乏大型专业装备的设计制造能力也成为碳纤维产业面临的主要问题之一。

④ 差别化专用上浆剂有待进一步国产化

目前，国内所用的上浆剂大部分为水性乳液型上浆剂，以环氧树脂为主，品种较少，不能满足国产碳纤维应用日益发展的要求。不匹配的上浆剂会使碳纤维出现毛丝较多、脆性增大、灰份含量高等问题，降低了使用性能。因此，急需开发出包括热塑性树脂上浆剂在内的、适合国产碳纤维的多系列上浆剂类型，进一步研发耐湿热老化、耐高温等高端领域的差别化、专用上浆剂，完善、改进上浆工艺，以满足不同领域碳纤维复合材料加工制造的实际要求。 ⑤ 应用市场技术发展独立，产业牵引力不足

我国的碳纤维应用是独立于碳纤维制备技术而发展起来的，碳纤维上下游产业发展严重脱节，纤维几乎完全依赖于进口，对国内碳纤维产业发展的牵引力不足，直接造成碳纤维企业开工率低，产能浪费严重。同时，国内碳纤维复合材料的设计、制造和应用水平与发达国家存在较大差距，直接导致国产碳纤维复合材料在高端制品上的应用和工业领域的拓展受到制约。因此，我国复合材料及其制品的设计、制造技术有待进一步提高，碳纤维下游应用市场亟待培育和开拓。

二、国内外碳纤维应用领域现状

1、 航空航天领域

航空航天是国际碳纤维应用的传统市场，几十年来，航空航天领域的碳纤维复合材料用量稳步增长。美国等发达国家先后开发了碳纤维-酚醛防热复合材料、高强高韧碳纤维-环氧复合材料、耐高温碳纤维复合材料等系列产品，广泛应用于战略导弹、运载火箭、先进战机、卫星、飞机发动机导向叶片、机翼和涵道部件等。碳纤维已成为航空航天、尖端武器装备必不可少的战略基础材料。

国外碳纤维复合材料在战斗机、直升机、无人机上的用量早已达到或超过机身总重的50%，波音787“梦幻航线”和空客A350XWB宽体客机上，碳纤维复合材料主、次结构件重量占比也已达到50%。碳纤维复合材料的使用大大的减轻了机身质量，提高了飞机燃油经济性。

目前，我国航空航天用碳纤维复合材料体系基本建立，先后发展出了酚醛、环氧、双马、聚酰亚胺等多种树脂基体，构建了碳纤维-酚醛烧蚀防热和碳纤维-环氧、碳纤维-双马结构承载两大复合材料系列，逐渐进入成熟应用阶段，应用范围和应用比例逐步扩大;建立了预浸料铺层模压、缠绕、热压罐、液体成型等多种工艺手段，并在多种型号上得到应用，形成了较为完备的复合材料设计、制造、检测、应用一体化体系，为我国航空航天事业的跨越发展提供了重要支撑。 另外，我国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件，性能已全面达到国外水平。采用这一预制件技术所制备的国产碳/碳刹车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机，并在B757-200型民航飞机上使用，在其它机型上的使用正在实验考核中。

2、 建筑工程领域

建筑工程一直都是通用级碳纤维应用的重点领域。目前，美国和欧洲国家的部分老旧桥梁、古旧建筑都面临着较为严峻的工程修复问题，因此，碳纤维补强材料多以粘贴片材的形式应用。一些新型的加固方法，如外贴预应力片材加固、网格加固、嵌入式加固等也在基础设施加固工程中得到了应用。日本由于频繁地震的原因，多年前就开始了碳纤维耐震补强材料和技术的研究与应用。随着设计、施工水平的提高，碳纤维及其复合材料也独立或作为主要受力材料被应用于隧道、飞机跑道、停机坪、高速公路等工程。另外，桥梁用碳纤维斜拉索、高层建筑电梯用碳纤维拉索、碳纤维增强水泥、碳纤维网格增强混凝土等也已成为目前碳纤维在国外建筑工程领域应用的新形式。

我国拥有全球最大的土木建筑市场，碳纤维在加固道路、桥梁、楼房建筑结构领域的应用正呈现不断增长的的趋势。我国自上世纪90年代开始进行碳纤维复合材料在土木工程、建筑补强中的应用研究，目前已有数十个高校和科研院所在建筑补强用碳纤维复合材料的制备及应用关键技术研究领域开展了深入工作，并在产品生产、装备制造、材料评价及设计体系、应用技术等方面取得了大量成果。工程应用方面，碳纤维布及碳纤维复合材料板成为重要的结构加固材料，并得到了广泛的应用，先后被用于人民大会堂、天安门城楼、北京工人体育场、军事博物馆、京沈高速公路桥、北京地铁隧道、北京国贸立交桥、中石油输油管道等众多重大基础设施、公共设施和工业设施。但与国外相比，我国该领域碳纤维复合材料的应用尚处于起步阶段，仍存在材料类型单

一、应用技术单一的问题，急需进一步的深入研究和实践。

3、 能源领域

随着风电叶片大型化的不断推进，碳纤维复合材料的应用也越来越多。国外风电叶片制造商早已在大型叶片的制造中规模化使用了碳纤维，同时碳纤维叶片的制造也真正实现了全产业链的共同进步。碳纤维制造领域，日本东丽、Zoltek等企业，针对风能市场的特殊需求纷纷推出专用的碳纤维产品，如24K T620s和50K Panex 35;中间制品领域，Gurit、Hexcel、ACG等中间产品制造商开发了叶片专用碳纤维预浸料，如SparPregTM、HextoolTM和DformTM;在叶片成型工艺方面，除了改良的预浸料技术——低压中温预浸料真空袋法，还开发了新型真空导入成型技术——液体成型工艺。目前，国外至少有6家大型风电企业正在采用碳纤维复合材料或碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料生产大型或特大型风机叶片，其中起步较早、技术较成熟、应用较多的是丹麦Vestas、美国GE和西班牙Gamesa等公司。

国内目前仅有连云港中复连众复合材料集团有限公司(中复连众)和中材科技风电叶片股份有限公司(中材叶片)实现碳纤维在风电叶片中的规模化应用。其中，中复连众自2009年开始碳纤维在风机叶片上的应用研究，并于20

12、2013年分别实现了进口和国产碳纤维主梁在75m/6MW叶片上的应用，同时完成了叶片的全尺寸静力和频率测试，目前正在准备挂机。中复连众同期开展了风机叶片用国产碳纤维复合材料理化性能、力学性能、工艺性能方面的研究，探索出国产碳纤维应用的设计要求和制造工艺，为推动国产碳纤维在大型风机叶片领域的应用奠定了坚实的基础。中材叶片于2011年在Sinoma 56m/3.6MW叶片的主梁上首次采用碳纤维预浸料，试制生产的56m碳纤维叶片顺利通过了静力实验，随后成功生产了22套56m/3.6MW风电叶片出口美国。

总体上讲，国内碳纤维在风电叶片上的规模化应用尚处于尝试阶段，叶片的设计、结构验证、长期安全性验证等问题都没有形成完善的解决方案。现阶段碳纤维的供应主要来源于国外公司，以碳纤维预浸料为主，供应渠道受限，也是影响国产碳纤维规模化应用的另一主要原因，因此有必要继续开展国产碳纤维在大型风电叶片上的应用研究。

4、 体育休闲领域

体育休闲领域是碳纤维复合材料的重要应用领域。碳纤维在该领域的应用主要集中在高尔夫球棒、钓鱼杆和球拍三个产品类型。近年来，自行车、去混球杆、滑雪杆等新兴产品的碳纤维用量也在不断增长。

我国在20世纪80年代初开始研制碳纤维复合材料体育运动器材，目前，已与美国、日本和中国台湾并列成为高尔夫球棒的主要产地。另外，钓鱼竿、网球拍、鱼线轮、网球拍、羽毛球拍、自行车架等产品也是碳纤维在我国的主要用途。

5、 碳纤维复合芯导线领域

碳纤维在电力输送领域的研究起步于上世纪90年代，2002年，美国CTC公司开发出碳纤维复合材料芯棒之后才开始规模化应用。目前，美国CTC公司的整体技术处于国际领先水平，但欧洲、亚洲、南美洲的20多个国家、200余条新建和改造线路中也都开展了碳纤维复合芯导线的应用，挂网总长度超过7000km(架设导线总长约为20000km)，电压等级覆盖了13.6-550kV。

我国碳纤维复合芯导线整体技术水平与国外相当。2007年，江苏远东、河北硅谷、中复连众等企业开始自主研制碳纤维复合芯及导线。目前，国内碳纤维复合芯及导线生产厂家接近20家(已有供货业绩的有5家)，国内年预期产能超过50000km。各主要生产厂家制备的碳纤维复合芯导线技术指标均满足碳纤维复合芯架空导线技术要求并已通过所有型式试验验证，技术性能已达到国外同类型产品的技术水平。

国内外复合芯制造厂家采用日本东丽或东邦T700级碳纤维，T700级碳纤维作为复合芯关键材料，供应及价格一直受制于日本，高昂的碳纤维价格是限制复合芯导线大范围推广的主要原因。

2014年7月，中复碳芯将中复神鹰T700级碳纤维SYT45试用于碳纤维复合芯导线，并在常州35kV邹区线上成功挂网，运行良好。国产碳纤维在复合芯导线的实际应用方面取得了突破性进展。

6、 车用碳纤维复合材料

在各国政府的大力支持下，国外各大碳纤维制造商纷纷与汽车巨头联手，发展汽车用碳纤维复合材料设计制造技术，已经形成“碳纤维、复合材料供应商+零部件供应商+主机厂”的联盟式产业化布局，并突破了车用碳纤维复合材料零部件及车体的规模化、自动化制造技术。最成功的实施案例是德国宝马的i3电动概念车，宝马公司为这款车型建立了一条包括碳纤维原丝、碳丝、编织布、复合材料零部件、主机装配等各环节的碳纤维复合材料车身产业链，日产量可达100辆。另外，日本东丽研发出“TEE WAVE AR1”电动汽车，共用碳纤维复合材料160 kg，碳纤维车身成型周期10min/套。日本东邦与丰田合作成立“复合材料创新中心”生产LEA跑车。美国特斯拉公司推出全球首款Roadster纯电动跑车，整车重1200kg，采用碳纤维增强环氧树脂复合材料车身，成型周期为20min/套，年生产量为1500辆左右。

总的看来，国外在碳纤维复合材料汽车轻量化产业方面已经初具规模，处于复合材料发展技术的前沿，主要核心制造技术掌握在少数几个大公司手中，发展已呈现逐步加快的趋势。

而目前，我国碳纤维复合材料在汽车工业中年用量比例还很小，应用较为成熟的技术大部分集中在非连续纤维复合材料成型工艺上。在连续纤维复合材料的快速成型技术方面，重点突破了以热塑性复合材料快速热压成型和快速树脂流动成型为代表的低成本连续碳纤维复合材料部件制造关键技术，并实现了部分装备的连续化自动化生产，实现了连续碳纤维复合材料片材、板材及部分部件的连续自动化制备，初步建立了车用复合材料部件生产示范线。但是，由于缺乏与国产碳纤维匹配、满足汽车生产节拍的快速固化树脂，尚未形成研究、设计、开发、制造、装备、检测、应用评价与推广应用一条龙产业链，同时碳纤维复合材料部件及整车验证、装配技术、质量控制等方面与国外差距巨大，急需进行进一步技术攻关。

另外，随着我国工业化进程的不断推进，诸如碳纤维连续抽油杆、新型储能电池、采油钻井平台等新兴应用领域对碳纤维的需求量也在不断扩大，碳纤维及其复合材料的发展前景一片大好。

结束语

综上所述，我国碳纤维产业正处在高速发展的关键时期，在蓬勃发展的国际碳纤维产业大背景下，我国在重大工程、一般工业和新兴产业领域对高性能碳纤维产品也提出了迫切的需求。国内碳纤维企业应进一步明确自身的创新主体地位，面向国防军工、民用航空、人造卫星等航空航天高端装备制造业，建筑补强、海洋工程、石油勘探等传统产业升级领域，以及新能源汽车等战略新兴产业，分阶段逐步开展不同品系碳纤维产品的产业化关键技术攻关、成本质量控制、工业应用示范和重点领域应用评价，开发出符合我国实际应用需要的高性能、高稳定性、规模化、低成本生产技术和多品系碳纤维产品，真正实现我国碳纤维产业的快速健康发展。

国内碳纤维及其复合材料产业发展，任重道远。

第四篇：植物纤维墙体材料的发展现状以及前景展望 - 绿色环保

摘 要：

简要介绍了植物纤维墙体材料的发展状况,阐述了其对建材业节能环保的重要意义,并对植物纤维墙体材料的应用前景进行了展望。

关键词： 植物纤维;墙体材料;节能环保

21世纪以来,保护环境以及合理、高效地开发与利用资源已成为世界瞩目的热点。在我国,随着工业化和城镇化的快速发展,作为典型资源依赖型工业的房屋建筑业在推动国民经济迅猛发展的同时,由于消耗大量的资源能源,迫使其继续发展受到制约。各类建筑在其建造和使用过程中直接消耗的能源占全社会总能耗的近30%[1]。而墙体材料又是建材业的重要组成部分,其产值接近建材工业总产值的1/3,耗能占建材工业总耗能的1/2左右,因此,加速发展节能利废的新型墙体材料,不仅是调整建材工业能源结构的重要措施,而且对改善建筑功能,节约土地具有十分重要的意义。此外,使用新型墙体材料,能提高建筑中的能效,降低能耗,是我国高速发展国民经济的根本需要和实现住宅产业现代化和加快城镇化建设的基本要求。

我国作为农业大国,随着农业连年丰收,秸秆产量也大幅度上升,产量大约为6.5亿t/年[2]。农作物废料秸秆等的处理已成为社会问题,除了少部分被当作饲料、肥料等开发利用外,大部分被付之一炬,不仅浪费资源,而且严重危害了自然生态环境。因此,废弃农作物的综合利用意义重大。植物纤维墙体材料的诞生恰好解决了废弃农作物的利用问题,同时又适应了国家建设节能型社会的需求,促进了可循环经济的发展,加快了我国高效、低价、环保、实用的节能建筑产品的研发和应用。 1 植物纤维墙体材料的特点及来源

植物纤维墙体材料是以植物纤维为原材料的一种新型节能环保生态建筑材料。其特点主要表现在:①原材料可以再生、废弃且无害。②节能利废,改善环境。生产该类材料将尽可能减少矿产资源的过度利用,降低生产能耗,并可大量利用农业废弃物作原料,减少由于对其处理处置不当而引发的环境污染。③节约土地。既不毁地(田)取土作原料,又可增加建筑物的使用年限。④可实行清洁化生产。在生产过程中,减少废渣、废水、废气的排放,大幅度降低噪音,实现较高的自动化程度。⑤可再生利用。产品达到其使用寿命后,可再生利用而不污染环境。 植物纤维来源广泛,可分为棉纤维、麻纤维、棕纤维、木纤维、竹纤维、草纤维。而用于墙体材料的植物纤维主要来源于木材、竹材和谷壳、秸秆、棉杆、高粱杆、甘蔗渣、玉米芯、花生壳等农作物废弃物。目前,利用农业废弃物生产的主要墙体材料包括麦秸均质板(图1)、纸面草板、植物纤维水泥板、麦秸人造板和秸秆镁质水泥轻质板等。 2 植物纤维墙体材料的发展状况 2.1 国内植物纤维墙体材料的发展状况

与国外相比,我国对植物纤维墙体材料的研究起步较晚。20世纪80~90年代,利用蔗渣制造硬质纤维板、刨花板的工厂体系在我国南方逐步出现。随着我国建筑业的革新与进步以及建筑节能工作的深入开展,环保利废型墙体材料的生产和应用出现了快速增长的良好局面。以麦秸、稻秸、棉秆等非木质材料作为原料生产制造墙体材料的技术与工艺已成为国内多所科研院校致力研究的项目课题。其间制造出的刨花板和中纤板的物理力学性能可以达到国家有关人造板的标准技术指标。我国广西、广东和福建地区也是植物纤维的盛产地,许多学者就植物纤维增强水泥基复合材料的开发进行了探索。章希胜等[3-5]研制开发了价格低廉、防渗防漏、性能优异的植物纤维水泥复合板,取得了良好的经济效益。针对内含钢渣的植物纤维增强水泥基复合材料,李国忠等[6]探讨了其基体结构和界面状况对材料性能的影响。近年来,随着建材产品结构合理化以及先进生产技术的传入与发展,国内涌现出大批生产秸秆板材的厂家,其产品市场逐步由国内拓展到海外[7]。植物纤维墙体材料开始稳步发展。 2.2 国外植物纤维墙体材料的发展状况

国外植物纤维墙体材料的发展由来已久,草砖建房技术在北美已有百年历史。早在20世纪初就出现了利用秸秆加工生产人造板材的技术;1920年美国路易安那州建立了蔗渣制板厂[8];英国Compak设备公司最早开始研究采用麦秸和稻草作为板材原料,经过10年努力,成功制造出性能高于木质刨花板的Com-pak板;波兰天然纤维研究所利用亚麻、黄麻和大麻的下脚料、甘蔗渣、芦苇秆、棉秆、香草根、油菜秆、麦秸等外加锯末为原料,制造出高质量的人造板。目前,全球已有20余个国家开办了以农作物为原料的人造板生产厂家,美国和加拿大超过50%。其中,美国PRIML BOARD公司,加拿大ISOBORD公司生产线产量均在10万和20万m3以上;美国的麦秸板全年产量约为1 600万m3 [9]。

由于保护森林资源和维护生态平衡的需要,各国开始致力于开发非木材植物纤维建筑材料。自20世纪80年代以来,利用非木质植物纤维增强水泥基材料的研究和利用成为不少发展中国家致力研发的热点。由于作为水泥基增强材料的天然植物纤维,使用较多的是只经过粗加工或未加工的原料,如稻草、芦苇、棕榈叶、竹子等,因此发展中国家从经济的角度考虑,特别注意开发这方面的资源,主要研究本国盛产的植物纤维。印度政府于1993年4月实施了一项禁止将实木用于建筑的法律,旨在推广以农业废弃物,如棉花秆、甘蔗渣、豆秸和稻秸为原料的廉价的建房材料。埃及盛产棕榈树,20世纪90年代中期,埃及科学家选择以资源丰富的棕榈叶为研究对象,进行了棕榈树叶纤维增强混凝土材料的研究,通过试验得出,棕榈树叶纤维混凝土材料的实用可行性,并且发现由于棕榈树叶独特的内部结构,经过水泥溶液浸泡,其纤维变得更加稠密,使得经过水泥溶液浸泡的棕榈树叶纤维增强混凝土的抗拉强度比未经水泥溶液浸泡的抗拉强度高[10]。

近年来,一些发达国家的科研单位,也配合发展中国家进行非木质植物纤维增强水泥基材料的研究,并且取得了一定的进展[11]。目前,世界不少国家已经生产与应用非木质植物纤维增强水泥基材料。据美国ACI544委员会的报告[12],全球约有40个国家有可能将该材料应用于建筑物中。具有百年历史的澳大利亚的JamesHardie公司,专业从事植物纤维水泥制品研制,1981年起开始生产压蒸式木纤维增强水泥,并将该项技术推广至美国以及亚洲与非洲的某些国家[13]。迄今为止,其植物纤维水泥制品遍布全球,前景良好。 3 植物纤维墙体材料的优势

3.1 来源广泛、节约能源、保护环境

植物纤维墙体材料以来源广泛的农作物废料秸秆等作为原材料,不失为一种变废为宝、节约资源的有效措施。其低廉的建筑造价符合我国基本国情及产业政策。在避免对木、竹材等资源过度开发利用的同时,为废弃农作物的合理利用提供了有效的方法与途径,使秸秆等农作物废料引发的环境生态问题的根本解决成为可能。 3.2 性能较好、实用性强

植物纤维墙体材料是在国家推行墙材改革,出台禁用粘土砖政策后,出现的性能较好、实用性较强的产品之一。其性能与粘土砖接近,且舒适性高,使用后能再次回收或自然降解为环境消纳物质,对生态环境几乎无影响。为墙材改革的平稳过渡和未来高性能住宅的发展做出了有益的探索。

3.3 施工安装便捷,缩短建筑工期,降低建筑成本及能耗

植物纤维墙体材料安装便捷,可按图制作,按号拼装,砌体和保温的全部工作可一次完成,与建筑框架同时施工,按序跟进,同时完工,打破了我国建筑长工期、跨施工的传统模式。并且将可能实现建筑轻体化、高能化、省地化。 3.4 实现建材生产的低耗高产

以植物纤维外墙保温板为例,在生产成本中,该墙体材料耗电0.142 kW /m2,耗水1.5L/m2,不用lg燃料,电和水的成本为1元/m2。与其他墙体保温材料相比,其产出量与能耗比极低。植物纤维在使用中的节能效益很高。如,200mm规格的该墙板与370 mm规格的粘土砖墙相比,其保温系数高出粘土砖墙4倍,取暖热耗降低4倍,取暖成本减少4倍,每年可节省大量的能源消耗,减少取暖支出[14]。 4 植物纤维增强水泥基材料的发展前景

(1)随着高层建筑的增多及国家保护耕地相关法规的出台和建筑本身节能要求的不断提高,我国住宅墙体建设将逐渐杜绝使用实心红砖。同时,一些建材因其自身缺陷将逐渐退出市场。以石膏墙板、粉煤灰墙板为例,由于这2种产品的强度低、容易潮霉,一般2~3年即自行返潮解体,在南方地区尤为严重,因此,这些建材产品已逐渐被建筑商所淘汰。墙材市场对像植物纤维这种新型墙体材料的需求存在巨大空间。植物纤维新型墙材以其轻质、高强、保温性能好、吸水率低、抗冻融性能高等优点和诸多特性,势必产生巨大的经济效益和社会效益,成为未来墙体市场发展的主流。

(2)作为世界上农作物秸秆纤维产量丰富的国家,我国很有必要对植物纤维建筑材料加以研究与探讨,以开拓对农业废弃物资源的利用领域。同时,秸秆等农业废弃物作为可再生资源,符合节能、可持续发展的要求,将其作为墙体材料原料也不失为节能利废,有效处置农业废弃物的途径,而且发挥了农村资源优势,增加了农民收入。采用秸秆等农业废弃物作为墙体材料的原料,开辟了新的原材料来源,缓解了各地发展墙体材料资源短缺的矛盾,更推动了各地墙材工业的发展,促进了墙材产品结构的变革。同时,随着墙材品种的增加,也将有力地推动房屋结构的变革和观念的更新,促进建筑产业化的实现。节能利废型植物纤维墙体材料作为新型绿色环保建筑材料,将具有广阔的工程应用前景和巨大的市场潜力,并且对于今后的国计民生有着深远的意义。 5 结语

随着人们对节能及环境问题的广泛重视,研制新型环保墙体材料已成为建筑业的发展趋势,建筑墙体材料必须更新换代,采用新型墙体材料势在必行。植物纤维新型墙体材料由于其本身具备的极为突出的优势,不仅符合未来建筑材料需求的方向,而且符合国家发展循环经济,建设环境友好型与资源节约型社会的重大战略方向,同时顺应了世界环境保护的主流趋势,势必在建材发展市场中占有重要的一席之地。 参考文献

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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。