一、什么是碳纤维？

碳纤维是一种丝状碳素材料，它是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，直径5-10微米，含碳量高于95％的无机高分子纤维，具有低密度、高强度、耐高温、高化学稳定性、抗疲劳、耐摩擦等优异的物理及化学性能，还具有良好的导电导热、电磁屏蔽性能以及较低的热膨胀系数等。

以碳纤维作为增强材料的先进复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性强、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳和热膨胀系数小等一系列的优异性能。碳纤维及其复合材料优异的性能使其被广泛应用于航空航天、轨道交通、车辆制造、武器装备、工程机械、基础设施建设、海洋工程、石油工程、风力能源、体育用品等领域。

 

二、碳纤维的分类

1、按照工业化生产路线原料

碳纤维主要可以分为聚丙烯睛（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类，其中以 PAN基碳纤维为主流，占全球碳纤维总产量的90％以上。

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。

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。

粘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。粘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，粘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，由于生产粘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，粘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1%。

 

2、按照生产技术路线和产品规格

碳纤维通常被分为小丝束和大丝束，一般将丝束数量小于24K的碳纤维称为小丝束，24K以上的为大丝束，没有绝对的标准。1K就相当于一束碳纤维中有1000根丝。

小丝束：小丝束碳纤维工艺控制要求严格，碳化等设备造价高，生产成本较高，般用于航天军工等高科技领域，以及体育用品中产品附加值较高的产品类别，主要下游产品包括飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。

大丝束：大丝束产品性能相对较低、制备成本也较低，往往应用于基础工业领域。

 

3、按照碳纤维性能特点

通常可分为三类，即以高强度为特点的高强系列碳纤维、以高模量为特点的高模量碳纤维和同时具有高模量和高强度的高模高强系列碳纤维。

碳纤维有一个强度指标，是按照拉伸强度来进行划分的等级。常见的有T300、T400、T700、T800、T1000。

普通的民营等级一般为T300即可，T700基本是民用最高等级了，T800及以上主要用于军工太空领域。

表1 不同材料性能对比表

三、碳纤维的特性

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1.5～2g/cm³，相当于钢密度的1/4、铝合金密度的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775μΨ/cm，高强度碳纤维则为1500μΨ/cm;

6、耐高温和低温性好，在3000℃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、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。

四、碳纤维的结构

碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺，但无论用哪种材料，碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向。

构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格，由层晶格组成层平面。在层平面内的碳原子以强的共价键相连，其键长为0.1421nm；在层平面之间则由弱的范德华力相连，层间距在0.3360～0.3440 nm之间；层与层之间碳原子没有规则的固定位置，因而层片边缘参差不齐。处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同。层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的，键能高，反应活性低；处于表面边缘处的碳原子受力不对称，具有不成对电子，活性比较高。因此，碳纤维的表面活性与处于边缘位置的碳原子数目有关。

在碳纤维的形成过程中，由于原丝在碳化的过程中会有大量的元素与各种气体（如CO、CO2、H2O、NH3、H2、N2）形成逸出，其表面和内部就会形成各种微小的缺陷和空穴，这些缺陷和空穴的存在将对碳纤维的强度产生很大的影响，绝大多数纤维断裂是发生在缺陷或裂纹的地方。

 

五、不同型号碳纤维

近年来，国内碳纤维行业呈现出的繁荣景象，市场强劲增长。

 

 

六、碳纤维复合材料的成型工艺

碳纤维复合材料应用非常广泛，不仅在航空航天领域使用，在汽车、体育用品等领域也是应用得十分广泛。不同领域应用的零部件都需要加工处理才能进行使用，碳纤维柔软可加工，适用于无模铸造造型（PCM）、树脂传递模塑（RTM）、片状模塑料（SMC）模压等工艺。

1、PCM成型工艺

PCM工艺是将经过冲压的碳纤维复合材料（CFRP）半成品放入模具中采用轮廓扫描喷射固化的工艺而成型。PCM成型工艺流程首先需设计铸型，并通过三维计算机处理得到铸型的三维模型，由其数据转换得到分层的模样截面轮廓数据，生成控制信息。然后在PCM快速成型机上控制树脂喷头向芯砂表面均匀施洒树脂，完成一层后预热加速模型固化。

PCM成型工艺不仅具有大幅缩减成型时间、提高生产效率、节省生产成本、提高产品稳定性等优势，而且具有尺寸精度高、表面光洁度好、易于实现复杂结构件一次成型的特点。同时，由于纤维在产品中具有良好的取向性，产品的强度和刚度都比较高。如今PCM成型工艺在车用CFRP中占有重要地位。

2、RTM成型工艺

RTM工艺通过将低黏度树脂于一定压力下注胶，在密闭模具中低压固化成型得到结构复杂的复合材料。RTM成型工艺流程首先针对不同需求设计碳纤维的排布，将碳纤维铺入模具闭合，再注入树脂使其浸润，待树脂固化后开模取出成品。

RTM相较于传统成型方法，在制作流程方面更加简易且便于控制，生产效率更高，模具成本低; 所得产品的表面光滑平整、外型精度高。如今RTM工艺由于其优良特点已被广泛应用于航空航天、汽车制造等多个行业。

3、SMC模压成型工艺

SMC是由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡制成，两边覆盖聚乙烯薄膜，它属于预浸料的范围。SMC模压复合材料除了具有较强的耐腐蚀性，同时兼具密度小、强度高、易加工、耐热性高、成本低等众多优越特性。

SMC适用于大批量生产和截面变化小的薄壁产品的生产，在玻璃钢汽车零部件生产领域得到了广泛的应用。

 

 

碳纤维的应用

碳纤维被誉为新材料之王，从民用的钓鱼竿到高端的战机都会用到，市场空间巨大，以前之所以没有大规模应用，主要是核心技术被美日控制，并且成本居高不下，随着国内技术不断提升，叠加规模提升，降低单位成本，市场需求被激活。尤其是疫情以来国外碳纤维进口受限，国内抓住机会，迅速占领市场，国产也得到了市场认可。

国内对于碳纤维的主要应用领域需求如下图所示：

1、航空航天领域

在航空发动机的制造中，钛合金的应用在很大程度上减少了发动机的重量，但是作为金属来说有一个严重的问题就是金属都有疲劳问题，如果金属内部收到足够大的力且作用时间较长就会发生微裂纹，发展到后面是整个材料都裂开产生安全危害，相比于金属材料，碳纤维并没有疲劳强度的概念，同时还具有密度小，强度高，抗疲劳能力强的特性，被用来制造火箭的燃料储藏罐，飞机的外壳等，现在先进民用客机制造中，碳纤维使用比例超过了50%。此外，卫星航天器领域中，PAN基高模量碳纤维应用更广泛，可用于反射器和天线、太阳能电池板，吊杆以及部分精密结构。

 

2、汽车领域

碳纤维在新能源领域有广泛的应用，减轻汽车的质量可以减少二氧化碳的排放量，因此汽车轻量化是一种重要的节能方法。

新能源汽车最大的问题就是续航能力，碳纤维电池箱体能够有效降低箱体的重量，与传统的电池箱体相比能够减少近40%的重量。

很多赛车以及高性能的汽车上应用的多为碳纤维汽车座椅，其具有耐冲击、耐腐蚀、强度高、良好的减震性能的优势，提高安全系数。

还有吸能盒中碳纤维材料的应用，能够降低自重同时提升车辆的吸能效果。

3、体育用品

碳纤维材料用于体育器材的优势有很多，比如质量轻，良好的力学性能，安全卫生性高。一般而言除了特殊的体育项目要求重量，平时我们常用的体育用品用起来轻巧的话，越容易发挥出较好的水平，比如网球拍、球杆、自行车、滑雪板等，此外还有一些靠人力以外的动力进行运动的器材，如赛车、轮船等，也是质量轻了会更容易操控。

4、压力容器

全球压力容器碳纤维需求量呈现上涨态势，预计2025年全球压力容器碳纤维需求量将上涨至22810吨，年复合增长率为20%。

5、建筑应用

碳纤维复合材料在基础设施的应用中包含：既有建筑及桥梁结构的加固补强、管廊设施的维修养护、新建建筑的部分构件、桥梁缆索、桥面板等。上述应用市场中，有80%-90% 的碳纤维用于建筑桥梁的补强。加固类碳纤维制品主要包括碳纤维布、碳纤维网格、碳纤维板以及碳纤维筋。

6、其他应用

碳纤维材料的应用非常广泛，除了上述三种领域外，在电子电器、船舶、电缆芯、轨道交通等领域也十分常见。在“碳达峰，碳中和”的目标下，各种类型的碳纤维功能材料层出不群，国内碳纤维产业发展火热，在技术上我们也已经突破了千吨级碳纤维产业化技术，初步形成了规模化的产业集群，在各类轻质化需求下碳纤维复合材料的发展将呈现出更加多元化的趋势，未来对于功能性材料性能的提升改善、材料成本的下降和回收利用率材料的增加都会是碳纤维材料的发光之处。

 

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来源：材易通