碳纤维及其应用范文

第一篇：碳纤维及其应用范文

碳纤维复合材料的应用及其在电线电缆中的发展建议

一、碳纤维复合材料的发展和战略地位

碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。经过二十多年的发展，碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优势。

我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。

二、碳纤维复合材料的性能和用途

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。

1、碳纤维的化学性能

碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用，很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在≤250℃环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔结构，因此气孔率高达25%左右，在加热过程易产生吸附气体脱气情况，这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。

2、碳纤维的物理性能 (a) 热学性质

碳素材料因石墨晶体的高度各向异性，而不同于一般固体物质与温度的依存性，从工业的应用角度来看，碳素材料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素材料的种类而变化。 (b) 导热性质

碳素材料热传导机理并不依赖于电子，而是依靠晶格振动导热，因此，不符合金属所遵循的维德曼—夫兰兹定律。根据有关资料介绍，普通的碳素材料导热系数极高，平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美。 (c) 电学性质 碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度有关，石墨的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征，电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。

3、碳纤维的主要用途

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。在刚度、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。

最神奇的应用是采用长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实，太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射成本。

总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面：

(1)宇航工业 用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层;卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件;航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件;哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。

(2)航空工业 用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体;次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有C/C刹车片。

(3)交通运输 用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件;船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆;海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。

(4)运动器材 用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。

(5)土木建筑 幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。

(6)其它工业 化工用的防腐泵、阀、槽、罐;催化剂，吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。

三、碳纤维复合材料在电线电缆中的应用

碳纤维以其固有的特性赋予了其复合材料优异的性能，它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，从而为其在电线电缆行业中的应用提供了可能和必然。

(一)碳纤维加热电缆的开发和应用

人们早就知道，以金属材料为发热体的电加热技术已在各个领域得到了广泛的应用。但是金属丝在高温状态下表面易氧化，由于氧化层不断的增厚，造成了有效通过电流的面积减小，增大了电流的负荷，因此易烧断。在相同的允许的电流负荷面积下，金属丝的强度比碳纤维低6-10倍，在使用过程中易折断。

碳纤维是一种石墨的六方晶格层状结构组成，是一种全黑体材料，因此在电热应用中，表现出来的电热转换效率高。在特定的条件下，高温不氧化，单位面积的电流的负荷强度和机械强度不发生改变。

目前碳纤维加热电缆的应用如下：

低温辐射发热电缆地板采暖系统。

恒温育雏箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保温采暖。

道路化雪、机场跑道化雪：用于混凝土结构中楼面加热的理想产品，也可以用在融雪装置中，对屋面雨水和排水管进行防霜，还可以用于土壤加热。

管道、罐体保温防冻：电伴热产品近几年在中国得到了大力的推广和广泛的应用。其应用领域主要集中在石油、化工、电力、铁路和民用或商业建筑等。随着中国电力工业的发展，以清洁、无二次污染的电能为主要能源的电伴热产品市场前景非常广阔，同时，也为电伴热产品的性能提出了更高的要求。

足球场草坪、公共绿地土壤保温：太阳能热水器电能补充加热器，主要用于在长期阴雨天或寒冬季节，因光照不足而导致太阳能热水器水温不能满足生活、工程需要时，为补充热能而设计的。它具有较强的耐酷暑、严寒和高温潮湿环境的性能，并具有防干烧的功能。即使偶尔水箱缺水误通电，也不至于烧坏电加热器和水箱，故能确保安全使用。

(二)碳纤维复合芯导线的开发和应用

我国是个缺电的国家，不仅发电业的发展滞后，输电业的弊端也凸现出来，输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求，由于过负荷造成的停电、断电故障频频发生，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”，各国均在研究新型架空输电路用导线，以取代传统的钢芯铝绞线，碳纤维复合芯导线由此应运而生。 与钢芯铝绞线相比，碳纤维复合芯导线具有以下优点：

1、和同样直径的ACSR电缆相比，可以提供双倍的载流容量。 2、有效解决电缆下垂问题。

3、可以在更高的温度下工作，最高可达200摄氏度。 4、线芯可以抗腐蚀，而且没有双金属间腐蚀问题。

5、因为可以提供更高的载流容量，所以同时也有效的降低了工程成本。 6、与相同直径传统电缆相比可以多容纳28%的导体。

7、高强度线芯可以有效减少电缆架的数量，或降低电缆架的高度。 8、有效减少电缆下垂，使地面生物更加安全 。

除了上述提及的优点外，还可减少传输中电力的损耗，减少20%的塔杆，节省用地，减少有色金属资源消耗，有助于构造安全、环保、高效节约型输电网络。

目前世界上只有美国和日本开发出这种新型导线，他们还达成默契：不向第三国输出，日本一家碳纤维导线企业的产量就占到世界40%左右。

目前我国电线电缆研究所、电力建筑研究院以及国家电网有限公司都已经开始了对ACCC导线的试验研究工作。国内电缆厂家也加大与外方合作，将这种新型电缆引进到中国生产，积极推动我国架空输电线路的技术革命。最近福建电网已经将该新型导线架设运行。

(三)在高低温、腐蚀等苛刻环境应用的可能

碳纤维细如蛛丝，三型碳纤维比强度是钢的62倍以上，成形工艺性好，是一代新型工程材料，其弹性量高，抗变性能力比钢大2倍多，抗拉强度30～40t/cm2pa,而比重还不到钢的四分之一，是铝合金的二分之一，高弹模量比钢铁大16倍，比铝合金大12倍。且碳纤维比钢等柔软。因此，碳纤维可用于要求能承重、不易损伤内部元件的电缆的加强芯，如海底光缆等。 碳纤维可以耐-180℃的低温，在此条件下，许多材料都变的很脆，连坚固的钢铁也变的比玻璃还容易碎，而碳纤维在此条件下依旧很柔软。因此，碳纤维复合芯可用于极寒(如南极考察研究等)条件下输电载体的设计和制造。

碳纤维又可以耐3000℃～3500℃的高温，在此高温下最好的耐热钢也变成钢水，但在没有氧气的情况下，碳纤维没有变化。碳纤维即使从3000℃的高温快速冷却到室温也不会炸裂，因而可在急冷急热的环境中工作。这为钢铁、冶金、锅炉等行业中高温特高温场合电缆的设计提供了可能。此外，碳纤维纱、碳纤维绳、碳纤维布都可用于消防电缆产品的设计选用。

碳纤维有超强的耐腐蚀性。金属中耐腐蚀性最强的是黄金和铂，在一份硝酸(浓度70%)和三份硫酸(浓度39%)配成的称“王水”的溶液中黄金、铂会被腐蚀的千疮百孔，而“王水”中的碳纤维却安然无恙。为各种化学环境下轻型耐化学腐蚀电缆的设计提供了新的思路。

四、发展建议

碳纤维材料的产业化是实现碳纤维导线在国内输电行业的产业化的前提和保证。碳纤维材料价格则是制约产业化应用的关键。

我国从八十年代初期开始起步，加大了对碳纤维材料的研究和开发力度，并也着力于碳纤维材料产业化基地的建设，但由于国外设备、技术封锁，至今未见重大突破，产品质量不稳定性，预计今后每年至少一万吨的缺口。

2000年前碳纤维材料的价格水平为5万美圆/吨左右，比铝的价格要高20倍多。但是近两年，由于国际政治形势和军事格局的变化，碳纤维材料价格受其影响，大幅度上升。这无疑都将对我国现代化的建设成本形成巨大的压力和负担。最近，我国福建电网从美国复合材料工程公司(CTC)购置了60公里ACCC导线(铝导体复合芯架空导线)应用在福建省厦门和福州电网中，其价格水平为15万元人民币/公里。这比我们一直使用的钢芯铝绞线的价格要高几倍。

各科研院所应进一步加大碳纤维材料的基础应用研究和开发，建立我国自主知识产权，实现碳纤维材料的质量稳定，降低成本。同时要采用国家投入和民间投入相结合的方式，加大碳纤维在航天和军工以外的民品应用，有助于碳纤维产业的健康持续发展。

最近，我国国内碳纤维产业发展面临重大机遇。辽宁圣华科技有限公司落户抚顺经济开发区后，可以把现有抚顺部分企业培育成碳纤维及复合材料的龙头企业，发挥其带动和辐射功能，把抚顺建设成为全国碳纤维研发基地和产业基地。

目前我国电线电缆研究所、电力建筑研究院以及国家电网有限公司都已经开始了对ACCC导线的试验研究工作。 希望国内同行积极研究和开发，为加快碳纤维复合材料在我国线缆行业应用和产业化发展共同努力。

第二篇：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。

第三篇：碳纤维复合材料的发展及应用

—— 邳州高新区招商局 丁建队1.1 碳纤维材料的历史背景

碳纤维材料的发现和使用始于1860年斯旺制作碳丝灯泡,成为发明和使用碳纤维的第一人。之后爱迪生使用竹丝制作碳丝作为灯丝，达到了照明45小时的效果。20世纪90年代中期，美国、日本、英国相继开始展开对碳纤维材料的研究。1972年，日本用碳纤维材料制造鱼竿，美国使用碳纤维材料制造高尔夫球杆，碳纤维材料开始应用于日常生活。1992年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维。其后，碳纤维材料趋向于高强度高弹性模量的方向发展。如今，碳纤维材料已经广泛应用于建筑、航空航天以及汽车制造行业。 1.2 碳纤维材料的特性简介

碳纤维材料是由碳元素构成的一种纤维材料，其在微观上呈类似人造石墨的乱层石墨结构。

碳纤维材料具有良好的物理化学性质。碳纤维密度小、质量轻，密度为1. 5~ 2 g /cm3，它的比重不到钢的四分之一，但抗拉强度是钢的七到九倍，其良好的比强度使得其被广泛应用于航空航天等对重量限制要求苛刻的领域。

其化学性质同样良好，具有耐腐蚀，耐疲劳，耐高温和低温，同时其具有良好的导电性，介于金属和非金属之间。除此之外，碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。[1] 2 碳纤维材料的种类及其发展

按碳纤维原丝不同主要可以分为:1.PAN基碳纤维;2.黏胶基碳纤维;3.沥青基碳纤维;4.酚醛基碳纤维。 2.1 PAN基碳纤维

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成。PAN基碳纤维具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点，并具有很强的抗压抗弯性能，一直在增强复合材料中保持着主导地位。目前，PAN基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流。PAN基碳纤维应用的主要领域有：航空航天工业，地面交通工具，如汽车、赛车、快速列车等，造船工业、码头和海上设施，体育用品与休闲用品，电子产品，基础设施以及造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等领域，要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作。 2.2 黏胶基碳纤维

黏胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的。黏胶基碳纤维的三维石墨结构不发达，导热系数小;石墨层间距大，石墨微晶取向度低，因此是理想的耐烧蚀和隔热及热防护材料。同时，黏胶基碳纤维是由天然纤维素木材或棉绒转化而来，与生物的相容性极好，又可作为良好的环保和医用卫生材料。但是，由于生产黏胶基碳纤维的工艺流程较长，工艺条件苛刻，不适宜大批量生产，成本较高;另外，黏胶基碳纤维的整体性能指标比PAN基碳纤维的要差，综合性能价格比在竞争中处于劣势，因此从20世纪60年代以来其生产规模逐渐萎缩，目前产量已不足世界碳纤维产量的l%。 2.3沥青基碳纤维

沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料，经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成。沥青基碳纤维的生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维，但由于沥青基碳纤维的生产工艺复杂，反而使其生产成本大大增加。此外，沥青基碳纤维抗压强度比较低，其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纤维，因此其生产规模和应用领域都受到了一定限制。不过，由于沥青基碳纤维具有优良的传热、导电性能和极低的热膨胀系数，因此仍在必须要求这些性能的军工及航天领域发挥着独特作用。 2.4酚醛基碳纤维

酚醛基碳纤维阻燃性、绝缘性极好;可在松弛条件下碳化，加工工艺简单，碳化时间短且温度低，碳化率高，且手感柔软，但强度和模量较低。酚醛基碳纤维主要用于复写纸原料，耐腐蚀电线，以及用来制造耐热、防化防毒、无尘等特种服装。

3 碳纤维增强型复合材料 [2]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。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。

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。

CFRP 的力学性能主要取决于基体的力学性质、碳纤维的表面性状以及纤维与键合界面的性质,而基体的性能及纤维的表面性状直接关系到界面的键合和粘接性能。 3.1 碳纤维树脂基复合材料及其应用

碳纤维增强树脂基复合材料具有一系列的优异性能, 主要表现在以下几个方面。

(1)具有高的比强度和比模量。CFRP 的密度仅为钢材的1/5，钛合金的1/3，比铝合金和玻璃钢(GFRP)还轻，使其比强度(强度/ 密度)是高强度钢、超硬铝、钛合金的4 倍左右，玻璃钢的2 倍左右;比模量(模量/密度)是它们的3 倍以上。

(2)耐疲劳。在静态下，CFRP 循环105 次、承受90%的极限强度应力时才被破坏，而钢材只能承受极限强度的50%左右。

[3](3)热膨胀系数小。 (4)耐磨擦，抗磨损。

(5)耐蚀性。碳纤维的耐蚀性非常优异，在酸、碱、盐和溶剂中长期浸泡不会溶胀变质。CFRP 的耐蚀性主要取决于基体树脂。

(6)耐水性好。 (7)导电性好。 (8)射线透过性。

树脂基碳纤维复合材料由于其优异的性能，被广泛用于航空航天，汽车制造等工业部门。美国空军的F系列战斗机中大量采用了碳纤维材料以减轻机身重量。在汽车方面，宝马公司采用了碳纤维材料来制造汽车车身。在能源领域，风力发电的风机叶片既需要足够的强度，又要有较小的密度，因而树脂型碳纤维复合材料是良好的选择。 3.2 碳纤维金属基复合材料及其应用

金属基复合材料一般都在高温下成形，因此要求作为增强材料的耐热性要高。在纤维增强金属中不能选用耐热性低的玻璃纤维和有机纤维，而主要使用硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维。基体金属用得较多的是铝、镁、钛及某些合金。碳纤维是金属基复合材料中应用最广泛的增强材料碳纤维增强铝具有耐高温、耐热疲劳、耐紫外线和耐潮湿等性能，适合于在航空、航天领域中做飞机的结构材料。

[4]树脂基复合材料通常只能在350℃以下的不同温度范围内使用。近些年来正在迅速开发研究适用于350℃～1200℃使用的各种金属基复合材料。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。 3.3 碳纤维陶瓷基复合材料及其应用

碳纤维增强陶瓷基复合材料(CMC-Cf)在克服陶瓷材料脆性的同时，发挥了其比强度高、高温性能优异等优点，同时还具有优良的力学性能、抗磨损性能和热传导性能，成为高温结构材料的研究热点。目前，CMC-Cf的基体相主要有炭、碳化硅、微晶玻璃以及多元多层复合材料等。碳纤维作为增强相，实现了复合材料的轻量化，并赋予其优异的力学性能。但碳纤维自身的抗氧化能力差，在温度高于400℃时，一旦与氧化介质接触，纤维将被氧化，性能迅速下降，进而影响

[5]复合材料整体性能，缩短使用寿命。因此，氧化问题成为限制CMC-Cf。性能提升与应用领域拓展的瓶颈。 4 碳纤维材料的发展现状及前景 4.1 国内外发展现状 4.1.1 国内发展现状

我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩,进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500t/ 年原丝、200t/ 年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平)，使我国碳纤维工业进入了产业化。随后，一些厂家相继加入碳纤维生产行列。从2000年开始我国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。

2009年，国内碳纤维产业多年来发展落后缓慢的局面得以改变，生产企业和投资基地都在不断增多，本行业的发展从此进入了一个全新的时期。但是与发达国家相比，我国目前的碳纤维生产能力(特别是高端产品)与国际水平还存在相当的差距：产能只占世界高性能碳纤维总产量的0.4%左右，大量碳纤维产品仍靠进口，真正国产化还需要一个漫长的过程。

[6]中复神鹰自主研发的年产1000吨碳纤维生产线于2008年10月顺利投料生产，2009年产量达到550吨,产销量位居国内第一位,有效缓解了国内碳纤维的供应紧张局面;威海拓展纤维有限公司也于08年引进了一条年产1000吨碳纤维生产线并顺利投产。但与发达国家相比，我国碳纤维产业刚刚起步，在产量和高端产品品种上仍还远远不能满足国防和国民经济建设的需要。 4.1.2 国际发展现状

近几年随着先进复合材料的发展，碳纤维需求激增，引爆了近年来世界性的碳纤维危机，这场危机从2005年开始日趋明显，至2007年达到极点。自碳纤维危机爆发以来，各大碳纤维生产厂商急剧扩张，扩大产能，缓解了碳纤维紧缺的供应情况。2008年下半年爆发了世界金融危机，实体经济受影响颇深，碳纤维的需求也有所回落。尤其是2009年经济衰退陷入最低谷时，很多碳纤维制造商也推迟或放慢了自己的发展计划。但是进入2010年以来，随着经济危机的好转，全球碳纤维市场出现快速回暖的迹象。巨大需求刺激碳纤维市场回暖，因此对碳纤维的需求总体仍处上升趋势。目前世界碳纤维产量达到4万t/年以上，随着碳纤维应用领域的不断扩大，碳纤维的市场需求日趋增加，碳纤维及其复合材料产业呈现良好发展态势。据相关部门预测，世界碳纤维需求将以每年大约13%的速度飞速增长，碳纤维的全球需

[7]求量2018年将达到10万t。全世界主要的碳纤维生产厂商是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司, 美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA 三家公司，以及德国SGL西格里集团、韩国泰光产业等少数单位。 4.2 未来发展前景

随着工业技术的迅速发展，在航空航天，车辆交通等领域，物件的强度和可靠性需要更多的提高，而重量也是一个重要的因素，因此碳纤维材料将越来越成为高强度材料领域内的主导。

然而，碳纤维材料的普及使用依然存在一些问题。首要问题是技术垄断问题，目前全世界范围内掌握碳纤维材料的制造和研发仅仅有美国和日本的少数几家公司，其他国家在碳纤维材料研究领域进展不明显。其次是碳纤维材料的适用范围有限。虽然碳纤维材料具有良好的物理化学性质，其高模量高比强度的性质优越，但是并非很多领域都需要用到这样的优良性质，仅仅是在航空航天和交通领域内应用和需求较多。最后一个问题是碳纤维的造价问题，目前碳纤维材料成本高昂，导致使用的范围缩小，难以普及，急需在生产方式上进行改进，来降低碳纤维材料的造价。另外生产碳纤维材料的高能耗和高排放对自然环境也造成了一定的影响。

[8]

第四篇：碳纤维复合材料在航空中的应用

摘要：碳纤维复合材料由于其质轻高强的特点而在航空领域大量使用，主要介绍了其在飞机上的大量应用，期待我国碳纤维工业能早日达到先进水平。 关键字：碳纤维;碳纤维复合材料;商用飞机。 1引言 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。

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，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。

正是由于碳纤维在力学上的出色性能，碳纤维复合材料(CFRP)被广泛用于航空航天领域。早在上世纪50年代就被用于火箭，而随着80年代高性能复合材料的发展，碳纤维复合材料的应用更加广泛。不仅在火箭、宇航、航空等领域发挥着重要作用，而且广泛应用于体育器械，纺织、化工机械及医学领域。 2碳纤维复合材料在商用飞机上的应用 复合材料诞生之时，就由于其质轻高强的性能而与航空航天器结下了不解之缘。上世纪40年代开始，复合材料就被用于军用飞机的修补。上世纪80年代，复合材料在商用飞机上得到逐步应用。随之而来的碳纤维革命，尤其是中模量碳纤维性能的提高﹑技术的稳定，使得碳纤维复合材料最终被用于大型商用飞机的主结构。以B787 和A350 为代表的大型商用飞机，其复合材料在飞机结构重量中的占比已经达到或超过了50%，最大的商用飞机A380 的中央翼也完全使用复合材料，这些都是复合材料在大型商用飞机上使用的里程碑。 2.1商用飞机上主要的CFRP构件[1] 目前，商用飞机上使用的复合材料大部分是碳纤维环氧复合材料，也包括一些玻璃纤维环氧复合材料，以及少量的特种基体树脂复合材料。其应用分为三个大类，即一级结构材料、二级结构材料和内装饰材料。如图所示：

2.2主要的纤维和基体类型

在选用的纤维方面，通用级 T300 碳纤维 CFRP 可用来制造飞机的二次结构部件。 例如， T300/ 5208用来制造B7

57、B767 和B777的二次结构部件。 但因T300的抗拉强度仅为 3.53 GPa， 抗拉模量为 231 GPa， 特别是断后延长仅有 1.5 %， 满足不了制造一次结构件的要求。随后开发成功的高强中模型碳纤维在上述 3 项质量指标有了大幅度提高， 再配套韧性环氧树脂所制高性能CFRP 就可用来制造大飞机的一次结构件。主要的高强中模碳纤维品牌及性能如下表所示：

由表中数据可知，这类高强中模碳纤维的性能比通用级 T300 有了大幅度提高。我国目前还不能生产这类高性能碳纤维， 处于实验室研制阶段，有望在“十一五”期间有所突破。 通用型环氧树脂固化后属于脆性材料，需增韧改性为韧性基体树脂。高强中模碳纤维与韧性基体树脂复合后所制韧性CFRP可用来制造大飞机的一次和二次结构件。其中，具有代表性的是T800H/3900-2(P2302)和 IM7/8551-7。热固性树脂 (TS) 为母相， 热塑性树脂 (TP) 为分散相， 两者均匀混合固化成型。在热固化成型过程中，TS 成为三维交联体，TP 仍保持线性特性， 赋予CFRP韧性。 这样可制得韧性CFRP。T800H/3900-2(P2302)是典型的用来制造大飞机一次和二次结构件的韧性复合材料。

2.3韧性 CFRP 在大飞机上应用需关注的技术关键[2] 随着碳纤维性能的不断提高，增韧改性基体树脂的不断深入和复合技术的日趋完善，韧性CFRP 在大飞机上的应用逐步拓宽。未来500～600座的大飞机将成为航空客运的主力机型。为此，需要解决好以下几方面的问题：

(1)设计允许应变达到0.6%，可用冲击后抗压缩强度(CAI)来评价。这就需用高强度、大伸长碳纤维与韧性基体树脂来复合。例如，T800H/3900-2 或 IMT/8551-7 的韧性预浸料，可达到上述指标。

(2)提高抗 CFRP 的抗冲击强度，需采用高强度、大伸长碳纤维。例如，T700S 断后延长高达 2.1 %。上浆剂中可含有热塑性塑料微粒，提高其韧性。

(3)提高冲击损伤后的抗压缩强度(CAI)，需采用高强度、大伸长碳纤维与韧性环氧树脂复合。控制碳纤维石墨微晶尺寸，也可提高抗压缩强度。同时，研究韧性耐热的热可塑性树脂，作为新一代韧性基体树脂。

(4)提高抗层间剪切强度(ILSS)，改善两相界面粘接强度，有效传递载荷。同时，采用三维编织物和 RTM 成型技术，也可有效提高 ILSS 和防止层间剥落现象。

(5)提高CFRP的耐热性，以适应超音速飞行。除提高基体树脂的耐热性外，也应关注碳纤维表面上浆剂的湿热性能。吸湿会降底 CFRP 性能。

(6)采用整体成型的先进复合技术来制造大型构件，如体翼一次成型技术。这不仅提高整体复合件的性能，而且可大幅度减少零件数目和紧固件数目，有利于降低生产成本。 3碳纤维复合材料在发动机和短舱上的应用[1] 复合材料在商用飞机上的另一个主要应用领域是在发动机和短舱，而发动机叶片，例如，GE90 的发动机叶片，则是这种应用的典范。GE90叶片使用的是8551-7/IM7预浸料，通过热压罐工艺成型获得，这种环氧中模量碳纤维预浸料具有极高的韧性和损伤容限，可以满足叶片苛刻的性能要求。

发动机复合材料叶片的另一种制作工艺是使用3D碳纤维织物，用环氧树脂灌注而成。这种技术充分利用了3D织物的特点，用其制得的复合材料具有低裂纹扩展性、高能量吸收性以及耐冲击、抗分层性能。即将用于C919客机的Leap -X1C即使用这种技术。

复合材料除了提供结构贡献以外，在发动机和短舱上的另一个贡献是降噪。在B787的发动机和短舱上使用了一种降噪蜂窝，用其作为芯材、环氧预浸料作为蒙皮的夹层结构起到了良好的降噪效果，使B787被誉为最安静的飞机，这也是B787的亮点之一。 4碳纤维复合材料在飞机上的其他应用 通用小飞机的结构简单，有的小飞机机身甚至甚至可以使用玻璃纤维预浸料为蒙皮的蜂窝夹层结构，而外翼的翼樑则可以使用单向碳纤维复合材料制造。生产工艺上，从节约成本考虑，较为普遍采用的是非热压罐工艺。 碳纤维复合材料在直升机上的应用也十分广泛，除机身、尾樑等结构件以外，还包括桨叶、传动轴、高温整流罩等对疲劳、湿热性能有更高要求的部件。特别是复合材料桨叶的使用，把桨叶的使用寿命从金属的2000小时提高到了复合材料的6000小时以上，甚至是无限寿命，并且两者的制造成本几乎相当，因此使用复合材料取代金属材料也成为必然。

碳/碳(C/C)复合材料则是制造飞机刹车装置的优异材料。例如著名的B-2战略轰炸机、空客A320均采用C/C复合材料刹车装置。这些先进的 C/C刹车装置可有效地把飞机降落过程中的动能转化为热能，不仅刹车制动的安全性高，而且可有效减轻质量。例如160 座的空客 A320，采用的C/C刹车装置可减质量140 kg。这种 C/C 刹车装置已在战机和客机上得到广泛应用。[3] CFRP 还可用来制造隐身飞机。B-2 战略轰炸机属于隐身飞机，其雷达散射截面积

(RCS) 仅有0.1 ㎡，不易被对方雷达发现，大大增加了突防能力和生存概率。B-2 轰炸机大量采用先进的特种 CFRP，所用碳纤维的截面积不是圆形，而是异型截面，如方形截面，且在表面沉积 1 层多孔碳粒或附着1 层多孔微球，实施对雷达波的散射和吸收，赋予其吸波功能。 这种结构吸波和涂层吸波相叠加，大大增强了综合吸波动功能。这也就是说，特种 CFRP 不仅是结构材料，而且也是结构吸波材料。[3] 5我国碳纤维复合材料发展现状 我国较早地意识到碳纤维的研制和生产对军事工业发展和国民经济具有重要作用，早在20 世纪60 年代末就开始研制碳纤维，经过 40 余年的发展，碳纤维从无到有，从研制到生产取得了一定的成绩。但总的来说，国内碳纤维的研制与生产水平还较低，一直没有在高标号碳纤维研究上取得突破性进展。我国碳纤维产业未实现大规模工业化生产，产品规格单一。近些年来，由于我国对碳纤维需求量的日益增加，碳纤维又成为国内新材料业研发的热点。但是，除极个别企业外，大多数引进项目的技术和设备水平属国际中下等，生产的碳纤维产品也未达到高端水平。引进后的消化、吸收与创新是碳纤维行业面临的重大课题。[4] 我国碳纤维工业与先进国家相比存在15 年左右的差距，我们还不能生产高强中模碳纤维，T300仍处于产业化阶段。实验室研制高强中模碳纤维虽然取得长足进步，但产业化仍有一段路要走。在国家大力支持和有实力民营企业的介入，缩短产业化时间已具备条件，高强中模碳纤维指日可待。[5] 参考文献

[1] 吴一波. 碳纤维复合材料在航空工业中的应用技术(上). 玻璃钢, 2003, (2): 14-21. [2] 贺福, 孙微. 碳纤维复合材料在大飞机上的应用. 高科技纤维与应用, 2007, 32(6): 5-8, 17. [3王春净, 代云霏. 碳纤维复合材料在航空领域的应用. 机电产品开发与创新, 2010, 23(2): 14-15. [4] 顾超英. 碳纤维复合材料在航空航天领域的开发与应用. 化工文摘, 2009, (1): 17-21. [5] 刘志强. 碳纤维复合材料在航空领域的应用. 黑龙江科技信息, 2013: 62.

第五篇：专利分析报告(碳纤维复合材料的应用)

题目：碳纤维复合材料国内专利情况研究报告专利情报分析报告

学

院：

专

业： 年

级： 姓

名：

2015年12月

目

录

1 检索报告 …………………………………………………3 1.1 课题背景 …………………………………………………3 1.2 检索范围 …………………………………………………4 1.3 检索系统 …………………………………………………4 1.4 检索方式 …………………………………………………5 1.5 检索策略 …………………………………………………5 1.6 检索结果及处理 …………………………………………5 2.专利总体分析 ………………………………………………5 2.1 专利文献公布量年代分析 ………………………………6 2.2 专利权人分析 ……………………………………………6 2.3 技术领域趋势分析

…………………………………7 2.4 申请人相对研发实力分析 ………………………………8 2.5专利类型分析

……………………………………………9 2.6法律状态分析 ……………………………………………10 2.7机构属性分析 ……………………………………………11

1检索报告 1.1课题背景

碳纤维，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。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。 碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。 碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多;它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，

这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。

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。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。

随着新技术的不断发展，对材料的要求日益增加，碳纤维所具有的高强度(是钢铁的5倍)、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)、出色的抗热冲击性、低热膨胀系数(变形量小)、热容量小(节能)、比重小(钢的1/5)、优秀的抗腐蚀与辐射性能等优势越来越能够适应时代的要求。

1.2检索范围

国内相关专利

1.3检索系统

SIPO专利检索系统

1.4检索方式

关键词

1.5检索策略 1.5.1检索词

碳纤维

carbon fibre 复合材料

composite material 1.5.2检索策略

发明名称=(碳纤维 AND 复合材料) 1.6检索结果

通过以上检索式在SIPO专利数据库共检索出相关合并同族专利后专利文献1332篇.(经过阅读，共筛选出相关文献1032篇为基础进行分析)

2.总体专利分析

2.1专利文献公布量年代分析

从上图中可以看出，碳纤维复合材料方面专利文献公开量从2006年起整体呈增长趋势。近十年的公布量分为两个阶段：第一阶段2006年-2013年7年间，专利文献数量由最开始的少于50篇增长至2013年的187篇;第二阶段2013年-2015年三年间，专利文献数量波动不大，进入了相对平稳时期，专利数量在150篇200篇之间。通过文献公开量的趋势可以看到，近年来，该领域中，专利文献公开量呈快速增长趋势。通过文献量的趋势，可以判断出该领域的技术近年来呈平稳快速发展趋势。

2.2 专利权人分析

从上表可以看出，碳纤维复合材料方面技术主要掌握于各个高校手中，申请前十有五所均为高校，专利权数量占前十总量的59.24%，其中哈工大申请数量最多、。前十另外四家为各个公司所有，值得注意的是第四名为个人肖忠渊。

2.3 技术领域趋势分析

从上表可以看出，十年来，领域B32(层状产品)以及领域H01(基本电器元件)尽管在2012年左右稍有增加，但从体来说年申请量基本没有增长。而领域C08(有机高分子化合物;其制备及原料加工;以其为基料的组合物)和领域B29(塑料的加工;一般处于塑性状态物质的加工)则在进十年间总体上呈高速状态，尽管近两年有所下滑，但也远高于另外两个领域，可以预见这两个领域将是碳纤维复合材料今后的主要发展方向。

2.4申请人相对研发实力分析

从上表可以看出，申请量排名前十的申请人在不同领域的研发水平和侧重情况有所不同，其中，最为平均的是哈尔滨工业大学和天津大学，在5~6个领域都有发明;最不平均的是肖忠渊，只在两个领域有专利，而肖忠渊则在F16(工程原件或部件)领域独占鳌头，几乎垄断该项技术;而大连理工大学在B23(机床;其他金属加工)方面具有垄断性优势。

2.5专利类型分析

从上表可以看出，在碳纤维复合材料领域发明书要远大于实用新型数

2.6法律状态分析

从上表可以看出，整体上来说，碳纤维符合材料相关专利的法律状态并不乐观，仅有约三分之一的专利有效，撤回，失效，驳回的专利占四分之一，而还有四成多的专利处于审核状态，这提醒我们后来的人要注意申请专利时一定要各方面考虑完全，尽量提高申请成功率。

2.7机构属性分析

从上表可以看出，企业和大专院校是专利申请的主力军，几乎平分了申请总量，另有少部分也属于科研单位，这从侧面也证明了碳纤维复合材料属于高科技领域，具有相当广阔的市场前景。