1.前言
（元琛科技）碳纤维指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。耐高温居所有化纤之首。用腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成。

材料特性：碳纤维主要由碳元素组成，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。

现在碳纤维的主要产品有聚丙烯腈基，沥青基及黏胶基3大类，每一类产品又因原纤维种类、工艺及最终碳纤维性能等不同，又分成许多品种。"碳纤维"一词实际上是多种碳纤维的总称，因此分类及命名就十分重要。

2.主要产品

根据前躯体原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈基(PAN)、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，因此目前在国际碳纤维产业领域，前2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9大生产商包括:日本东丽工业株式会社(简称“东丽”)、日本东邦化学工业株式会社(简称“东邦")、日本三菱丽阳株式会社(简称“三菱丽阳”)、美国赫氏有限公司(Hexcel)、美国氰特工业公司(Cytec)、美国卓尔泰克公司(Zoltek， 已被东丽收购)、台湾塑料工业股份有限公司(简称“台塑")、土耳其阿克萨集团( AKSA)和德国西格里碳素集团( SGL)。沥青基碳纤维的生产和应用居其次，主要生产企业3家，分别是Cytec、三菱丽阳和东丽。

PAN基碳纤维分为小丝束(1~24K)和大丝束(36K 及以上)2类。全球小丝束碳纤维市场主要被东丽、东邦、三菱丽阳3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3家日本公司的市场份额。大丝束碳纤维生产商主要有Zoster、SGL和三菱丽阳3家。另外，中国蓝星(集团)总公司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Dormagen的腈纶纤维生产商DralonGmbH公司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，其他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，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 t /a的T700S和4500 t /a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27 100 t ,2020年扩大至50000 t。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。

3.性能
（1）力学性能
碳纤维复合材料拉伸强度高，模量大，密度小，具有较高的比强度和很高的比模量。与传统金属材料相比，碳纤维复合材料质量轻，强度高，韧度高，具有明显的优势。与同为新型材料的硅基纤维复合材料相比，碳基纤维的拉伸强度约为其3-7倍。碳基纤维的弹性模量高于硅基纤维，所以碳纤维复合材料在相同外载荷下，应变较小，其制件的刚度比硅基纤维复合材料制件高。高模量碳纤维的断裂伸长率约为0.5%，高强度碳纤维的约为1%，硅基纤维约为2.6%，而环氧树脂的约为1.7%，所以碳纤维复合材料中纤维的强度能得到充分的发挥。

由于碳纤维的脆性很大，冲击性能差，所以碳纤维复合材料的拉伸破坏方式属于脆性破坏，即在拉断前没有明显的塑性变形，应力应变曲线为直线，这一点与玻璃纤维相似，只是模量高于、断裂伸长率低于玻璃纤维。碳纤维复合材料的耐高低温性能好。在隔绝空气（惰性气体保护下），2000°C仍有强度，液氮下也不脆断。

（2）耐腐蚀性
碳纤维复合材料除了能被强氧化剂如浓硝酸、次氯酸及重铬酸盐氧化外，一般的酸碱对它的作用很小，比硅基纤维复合材料具有更好的耐腐蚀性。碳纤维复合材料不像硅基纤维复合材料那样在湿空气中会发生水解反应，具有好的耐水性及耐湿热老化特性。此外还具有耐油、抗辐射以及减速中字运动等特性。

4.碳纤维复合材料的应用

碳纤维复合材料凭借其优良的性能，已经在各个领域得到广泛的应用，主要有航空航天、汽车、结构加固工程、新能源开发、休闲用品等。

（1）航空航天

碳纤维复合材料最初主要应用于航天业，因为发射航天器的成本与重量成正比关系，所以如何在保证航天器性能的同时减轻其重量成为最重要的问题。碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、使用温度范围高这些优点而在航天产业得到深入的应用，从航天器的外壳、内设、结构以及航空发动机几乎都是采用碳纤维复合材料制作而成。近年来，随着碳纤维复合材料制造成本的下降，军用航空飞机和民用航空飞机方面也开始大规模使用该材料以大幅度减轻机体机构质量、改善气动弹性提高飞机的综合性能。根据美国复合材料制造商协会统计，2001年世界上飞机生产对碳纤维的需求量约为900-1000t。

据统计，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％。以美国波音公司的B777为例，碳纤维复合材料在该型号飞机上的使用比例达到9%，这些先进复合材料主要应用在飞机尾翼、襟翼、副翼、天线罩、整流罩、短舱和地板梁等构件，具体包括：垂直安定面翼盒、平尾翼盒、方向舵、升降舵、前后缘壁板、地板梁、外侧副翼、外侧襟翼、襟翼、襟副翼、整流包皮、内外侧扰流板、后缘壁板、发动机短舱、发动机支架整流罩、前起落架舱门、固定前缘、雷达天线罩等。

（2）汽车

目前，世界每年生产乘用车5千万辆，若包括卡车和公共汽车为7千万辆，随着中、印等国汽车工业的快速发展，不久世界汽车的年产量确可能超过1亿辆。另外，目前世界PAN-CF的年产量只有数万吨，由于CFRP成本高、难加工、成型速度慢及还受再生问题的限制，只能用于航空航天、体育用品和工业产业领域，要想用于汽车上，最重要的是尽快开发适用于热塑性树脂（如聚丙烯等）的具有表面活性的CF以及其CFRTP超高速成型技术和二次加工技术，其次当CF需求量超过百万吨时，就要求开发以生物质为原料的CF，尽管目前还有一定难度。再次，当达到这么大规模时，需要开发CFRP的再生和CF高度再利用技术，还要解决这些材料和有关成型加工的评价和标准化问题。（元琛科技）