碳纖維是一種兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征的化工新材料，是新一代的增強纖維。它的密度不到鋼的1／4，但抗拉強度卻是鋼的7～9倍，抗拉彈性也高于鋼；與傳統(tǒng)的玻璃纖維(GF)相比，楊氏模量(指表征在彈性限度內(nèi)物質(zhì)材料抗拉或抗壓的物理量)是其3倍多；與凱芙拉纖維(KF-49)相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。正是由于兼具優(yōu)異性能，碳纖維在國防和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。
碳纖維是指含碳量在90％以上的高強度、高模量纖維。它是以化纖和石油產(chǎn)品經(jīng)特殊工藝制成的纖維。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防、軍工和民用方面都是重要材料。
碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是制造先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強材料，是發(fā)展國防軍工與國民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資，在當(dāng)今世界高速工業(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化、核心化。
由于碳纖維神秘的面紗尚未完全揭開，人們現(xiàn)在還不能直接用碳或石墨來制取，只能采用一些含碳的有機纖維(如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等)為原料，將有機纖維與塑料樹脂結(jié)合在一起炭化制得碳纖維。根據(jù)原料及生產(chǎn)方式不同，碳纖維主要分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維等。
碳纖維除了用于航空航天領(lǐng)域、國防軍事領(lǐng)域和體育休閑用品外，汽車構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電葉片、建筑加固材料、增強塑料、鉆井平臺等碳纖維新市場也正在興起。待開發(fā)市場有壓力容器、醫(yī)療器械、海洋開發(fā)、新能源等領(lǐng)域.
航空航天領(lǐng)域
碳纖維復(fù)合材料以其獨特、卓越的理化性能，廣泛應(yīng)用在火箭、導(dǎo)彈和高速飛行器等航空航天業(yè)。例如采用碳纖維與塑料制成的復(fù)合材料制造的飛機、衛(wèi)星、火箭等宇宙飛行器，不但推力大，噪音小；而且由于其質(zhì)量較輕，所以動力消耗少，可節(jié)約大量燃料。據(jù)報道，航天飛行器的質(zhì)量每減少lkg，就可使運載火箭減輕500kg。2007年面世的超大型飛機A380，復(fù)合材料的密度已達(dá)23％。預(yù)計于2010年問世的A350超寬客機，其高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)所占比例將達(dá)62％，成為空客公司第一架全復(fù)合材料機翼飛機。輕質(zhì)“外衣”不僅能有效克服質(zhì)量與安全之間固有的矛盾，還能大幅降低飛機能耗。以A380為例，其首架飛機每位乘客的百千米油耗不到3L，而A350的百千米油耗預(yù)計只有2．5L／人，幾乎可以跟現(xiàn)在的小汽車媲美。
航空航天領(lǐng)域是世界碳纖維的傳統(tǒng)市場，航空器中碳纖維復(fù)合材料的使用量未來幾年將以年均12％的速度繼續(xù)增長，估計將從2008年的8200噸增加至2010年的1萬噸以上，2012年可達(dá)1．3萬噸。碳纖維復(fù)合材料約占空客A380飛機35噸結(jié)構(gòu)材料中的20％以上，包括中央翼盒、機尾組件以及壓艙壁。波音787中結(jié)構(gòu)材料有近50％需要使用碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維增強塑料，包括主機翼和機身。金屬結(jié)構(gòu)材料采用碳纖維復(fù)合材料后不僅可以減輕機身質(zhì)量，而且還可以保證不損失強度或剛度，大大提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。新一代的客機將使用更高比例的碳纖維復(fù)合材料。同時，碳纖維在中小型噴氣客機中的需求也將快速增長。例如，三菱重工計劃利用碳纖維復(fù)合材料制作新一代支線噴氣客機MRJ主機翼和尾部組件，該機型預(yù)計在2013年進(jìn)入市場。
機體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化程度被認(rèn)為是飛機先進(jìn)性的重要標(biāo)志，可以說是“一代飛機，一代材料”。國外復(fù)合材料在軍機、直升機、無人機上的用量早已達(dá)到或超過50％，如今在大型客機上的用量也超過了50％。
空客集團(tuán)研制的超大型客機A380目前已交付使用。飛機復(fù)合材料占25％，主要應(yīng)用部件包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、機身地板梁和后承壓框等，僅中央翼盒用復(fù)合材料就達(dá)5．3噸，實現(xiàn)減重1．5噸。A380是第一個將復(fù)合材料應(yīng)用于受載很大的中央翼盒的大型民用機，開創(chuàng)了大型民用機大規(guī)模采用復(fù)合材料的先河。
美國波音飛機公司研制的B787飛機也已于2007年成功下線，整機主要結(jié)構(gòu)均采用碳纖維復(fù)合材料制成，從外表看，除機翼、尾翼前緣、發(fā)動機掛架外，幾乎看不到金屬。這是世界上第一個采用復(fù)合材料機翼和機身的大型客機，被公認(rèn)為復(fù)合材料發(fā)展史上的一個重要的里程碑。復(fù)合材料的大量應(yīng)用大幅減輕了飛機的結(jié)構(gòu)重量，并使飛機的燃油效率提高20％。
美國波音公司20世紀(jì)90年代初推出的波音777型客機就大量采用了這種新型材料，使用比例約占10％。波音777飛機利用碳纖維做結(jié)構(gòu)材料，包括水平和垂直的橫尾翼與橫梁，如果這兩部分重要的結(jié)構(gòu)受損，那么整個飛機在飛行的過程中就可能墜毀；這些材料被稱為“首要的結(jié)構(gòu)材料”，所以對其質(zhì)量要求極其苛刻。對于波音777飛機，日本東麗公司是波音公司指定的唯一有資格的碳纖維制造商；歐洲空客也在其飛機上使用了大量的碳纖維，東麗公司的TORAYCA碳纖維將被大量應(yīng)用在新型客機A380上。
波音公司即將推出新一代高速寬體客機--“音速巡洋艦”，約60％的結(jié)構(gòu)部件都采用強化碳纖維塑料復(fù)合材料，其中包括機翼，這種材料比鋁更加輕便，但強度不相上下。據(jù)稱，如果客機中所有部件都使用這種復(fù)合材料，那么，新型客機的飛行速度會提高15％～20％。
波音公司于2007年7月初正式推出的中型“綠色”噴氣客機787 Dreamliner，可以載客330人，長途飛行時可節(jié)約高達(dá)20％的燃料，由此減少溫室氣體排放。波音推出的787 Dreamliner新機型于2008年在日本的全日空航線上投入商業(yè)服務(wù)，其創(chuàng)新的設(shè)計特征包括：飛機絕大部分使用高科技塑料復(fù)合材料代替鋁材質(zhì)；飛機主要結(jié)構(gòu)的50％左右，包括機身和機翼均采用復(fù)合材料如碳纖維制作。由于機身整體采用復(fù)合材料制造，從而無需使用1500塊鋁板材和4萬～5萬個緊固件；與傳統(tǒng)的材料相比，使用復(fù)合材料會使飛機更為強固和輕巧，可以提高燃油利用效率。這種創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)使飛機提高了運營經(jīng)濟(jì)性，同時提高了耐用性。
2005年新型空中客車A350和波音787客機Dreamliner投產(chǎn)給碳纖維工業(yè)帶來顯著的推進(jìn)作用?？罩锌蛙嘇350中復(fù)合材料用量已接近總質(zhì)量的40％；波音787機翼和機身上使用的復(fù)合材料超過了50％，質(zhì)量的減少可以使其節(jié)約大約20％的燃料費，加上腐蝕等方面費用的節(jié)省，更是驚人。據(jù)市場稱，波音和空中客車每年交付使用客機大約250～350架。
歐洲空中客車公司研制的世界最大民用貨機A380F于2005年4月投入生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中更多地采用了碳纖維材料，翼展79．8m、長73m、高24．1m，相當(dāng)于8層高的樓房，是世界上正在制造的最大貨機，設(shè)計商用載重量可達(dá)150噸、航程1．04萬km。A380F的中央翼盒采用了碳纖維增強塑料，這種材料質(zhì)量輕、強度高，采用新型材料和高技術(shù)將使A380F在性能上比老一代大型飛機更具優(yōu)勢?？罩锌蛙嚬菊J(rèn)為，全球貨運市場在未來20年內(nèi)將快速發(fā)展，但目前承運商面臨著收益減少和貨物密度下降的壓力，因此承運商希望貨機容量更大，以降低單位成本，A380F正是為這一需求而設(shè)計的。首架A380F于2008年投入運營。
最近幾年，尤其在亞洲和歐洲，飛機乘客數(shù)量的增加促進(jìn)了對新飛機的需求?！犊湛腿蚴袌鲱A(yù)測》估計，2006年～2025年間，飛機運營商將需要22700架客機和貨機。這些OEM正引領(lǐng)著結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料用量的巨大增長，其中包括碳纖維，其最新的應(yīng)用就是B787和A380飛機。
截至2007年12月，空客A380就收到189個訂單。A380為大型噴氣式客機，其結(jié)構(gòu)(包括主要結(jié)構(gòu))使用了22％的碳纖維復(fù)合材料。截至2008年1月中旬，波音公司宣布B787訂單達(dá)到857架。B787中碳纖維／環(huán)氧預(yù)浸料的唯一供應(yīng)商是東京的東麗公司(Toray)，兩家公司已經(jīng)就Torayca預(yù)浸料簽訂了長達(dá)18年的供應(yīng)合同。一直到2021年。據(jù)報道，787主要結(jié)構(gòu)的合同價值高達(dá)20．3億歐元(30億美元)。
碳纖維在中小型噴氣客機中的需求也將快速增長。例如，三菱重工利用碳纖維復(fù)合材料制作新一代支線噴氣客機MRJ主機翼和尾部組件，該機型預(yù)計在2013年進(jìn)入市場。
歐洲空中客車公司授予赫氏復(fù)材(Hexcel公司)其遠(yuǎn)程寬體客機A350XWB主結(jié)構(gòu)件的長期供應(yīng)合同，此合同要求赫氏復(fù)材供應(yīng)碳纖維復(fù)合材料直至2025年。隨著A350XWB設(shè)計告一段落，赫氏復(fù)材和空客公司將共同對用于主結(jié)構(gòu)件的赫氏復(fù)材產(chǎn)品進(jìn)行確認(rèn)，并完成最終的規(guī)范和認(rèn)證。此合同預(yù)計將給赫氏復(fù)材帶來40～50億美元的收人。另外，除用于主結(jié)構(gòu)件外，赫氏復(fù)材的復(fù)合材料還將用于A350的次結(jié)構(gòu)件和內(nèi)裝飾部件，產(chǎn)品包括織物、樹脂、預(yù)浸料、膠膜、蜂窩、HexMC模壓件等，這些與A350相關(guān)的材料也將為赫氏復(fù)材帶來相當(dāng)可觀的收入。根據(jù)該合同，赫氏復(fù)材將主要提供用新一代高韌性環(huán)氧樹脂浸漬HexTow茁中模量碳纖維的HexPly茁預(yù)浸料。赫氏復(fù)材為擴(kuò)大產(chǎn)能將明顯增加投資，以滿足日益增長的A350的訂單。確切的投資規(guī)模和時間將按照空客公司與其它供應(yīng)商的預(yù)測進(jìn)行。復(fù)合材料及其部件由赫氏復(fù)材在美國、法國、西班牙、德國及英國的工廠生產(chǎn)。
碳纖維是指含碳量在90％以上的高強度、高模量纖維。它是以化纖和石油產(chǎn)品經(jīng)特殊工藝制成的纖維。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防、軍工和民用方面都是重要材料。
碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是制造先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強材料，是發(fā)展國防軍工與國民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資，在當(dāng)今世界高速工業(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化、核心化。
由于碳纖維神秘的面紗尚未完全揭開，人們現(xiàn)在還不能直接用碳或石墨來制取，只能采用一些含碳的有機纖維(如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等)為原料，將有機纖維與塑料樹脂結(jié)合在一起炭化制得碳纖維。根據(jù)原料及生產(chǎn)方式不同，碳纖維主要分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維等。
碳纖維除了用于航空航天領(lǐng)域、國防軍事領(lǐng)域和體育休閑用品外，汽車構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電葉片、建筑加固材料、增強塑料、鉆井平臺等碳纖維新市場也正在興起。待開發(fā)市場有壓力容器、醫(yī)療器械、海洋開發(fā)、新能源等領(lǐng)域.
航空航天領(lǐng)域
碳纖維復(fù)合材料以其獨特、卓越的理化性能，廣泛應(yīng)用在火箭、導(dǎo)彈和高速飛行器等航空航天業(yè)。例如采用碳纖維與塑料制成的復(fù)合材料制造的飛機、衛(wèi)星、火箭等宇宙飛行器，不但推力大，噪音小；而且由于其質(zhì)量較輕，所以動力消耗少，可節(jié)約大量燃料。據(jù)報道，航天飛行器的質(zhì)量每減少lkg，就可使運載火箭減輕500kg。2007年面世的超大型飛機A380，復(fù)合材料的密度已達(dá)23％。預(yù)計于2010年問世的A350超寬客機，其高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)所占比例將達(dá)62％，成為空客公司第一架全復(fù)合材料機翼飛機。輕質(zhì)“外衣”不僅能有效克服質(zhì)量與安全之間固有的矛盾，還能大幅降低飛機能耗。以A380為例，其首架飛機每位乘客的百千米油耗不到3L，而A350的百千米油耗預(yù)計只有2．5L／人，幾乎可以跟現(xiàn)在的小汽車媲美。
航空航天領(lǐng)域是世界碳纖維的傳統(tǒng)市場，航空器中碳纖維復(fù)合材料的使用量未來幾年將以年均12％的速度繼續(xù)增長，估計將從2008年的8200噸增加至2010年的1萬噸以上，2012年可達(dá)1．3萬噸。碳纖維復(fù)合材料約占空客A380飛機35噸結(jié)構(gòu)材料中的20％以上，包括中央翼盒、機尾組件以及壓艙壁。波音787中結(jié)構(gòu)材料有近50％需要使用碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維增強塑料，包括主機翼和機身。金屬結(jié)構(gòu)材料采用碳纖維復(fù)合材料后不僅可以減輕機身質(zhì)量，而且還可以保證不損失強度或剛度，大大提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。新一代的客機將使用更高比例的碳纖維復(fù)合材料。同時，碳纖維在中小型噴氣客機中的需求也將快速增長。例如，三菱重工計劃利用碳纖維復(fù)合材料制作新一代支線噴氣客機MRJ主機翼和尾部組件，該機型預(yù)計在2013年進(jìn)入市場。
機體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化程度被認(rèn)為是飛機先進(jìn)性的重要標(biāo)志，可以說是“一代飛機，一代材料”。國外復(fù)合材料在軍機、直升機、無人機上的用量早已達(dá)到或超過50％，如今在大型客機上的用量也超過了50％。
空客集團(tuán)研制的超大型客機A380目前已交付使用。飛機復(fù)合材料占25％，主要應(yīng)用部件包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、機身地板梁和后承壓框等，僅中央翼盒用復(fù)合材料就達(dá)5．3噸，實現(xiàn)減重1．5噸。A380是第一個將復(fù)合材料應(yīng)用于受載很大的中央翼盒的大型民用機，開創(chuàng)了大型民用機大規(guī)模采用復(fù)合材料的先河。
美國波音飛機公司研制的B787飛機也已于2007年成功下線，整機主要結(jié)構(gòu)均采用碳纖維復(fù)合材料制成，從外表看，除機翼、尾翼前緣、發(fā)動機掛架外，幾乎看不到金屬。這是世界上第一個采用復(fù)合材料機翼和機身的大型客機，被公認(rèn)為復(fù)合材料發(fā)展史上的一個重要的里程碑。復(fù)合材料的大量應(yīng)用大幅減輕了飛機的結(jié)構(gòu)重量，并使飛機的燃油效率提高20％。
美國波音公司20世紀(jì)90年代初推出的波音777型客機就大量采用了這種新型材料，使用比例約占10％。波音777飛機利用碳纖維做結(jié)構(gòu)材料，包括水平和垂直的橫尾翼與橫梁，如果這兩部分重要的結(jié)構(gòu)受損，那么整個飛機在飛行的過程中就可能墜毀；這些材料被稱為“首要的結(jié)構(gòu)材料”，所以對其質(zhì)量要求極其苛刻。對于波音777飛機，日本東麗公司是波音公司指定的唯一有資格的碳纖維制造商；歐洲空客也在其飛機上使用了大量的碳纖維，東麗公司的TORAYCA碳纖維將被大量應(yīng)用在新型客機A380上。
波音公司即將推出新一代高速寬體客機--“音速巡洋艦”，約60％的結(jié)構(gòu)部件都采用強化碳纖維塑料復(fù)合材料，其中包括機翼，這種材料比鋁更加輕便，但強度不相上下。據(jù)稱，如果客機中所有部件都使用這種復(fù)合材料，那么，新型客機的飛行速度會提高15％～20％。
波音公司于2007年7月初正式推出的中型“綠色”噴氣客機787 Dreamliner，可以載客330人，長途飛行時可節(jié)約高達(dá)20％的燃料，由此減少溫室氣體排放。波音推出的787 Dreamliner新機型于2008年在日本的全日空航線上投入商業(yè)服務(wù)，其創(chuàng)新的設(shè)計特征包括：飛機絕大部分使用高科技塑料復(fù)合材料代替鋁材質(zhì)；飛機主要結(jié)構(gòu)的50％左右，包括機身和機翼均采用復(fù)合材料如碳纖維制作。由于機身整體采用復(fù)合材料制造，從而無需使用1500塊鋁板材和4萬～5萬個緊固件；與傳統(tǒng)的材料相比，使用復(fù)合材料會使飛機更為強固和輕巧，可以提高燃油利用效率。這種創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)使飛機提高了運營經(jīng)濟(jì)性，同時提高了耐用性。
2005年新型空中客車A350和波音787客機Dreamliner投產(chǎn)給碳纖維工業(yè)帶來顯著的推進(jìn)作用?？罩锌蛙嘇350中復(fù)合材料用量已接近總質(zhì)量的40％；波音787機翼和機身上使用的復(fù)合材料超過了50％，質(zhì)量的減少可以使其節(jié)約大約20％的燃料費，加上腐蝕等方面費用的節(jié)省，更是驚人。據(jù)市場稱，波音和空中客車每年交付使用客機大約250～350架。
歐洲空中客車公司研制的世界最大民用貨機A380F于2005年4月投入生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中更多地采用了碳纖維材料，翼展79．8m、長73m、高24．1m，相當(dāng)于8層高的樓房，是世界上正在制造的最大貨機，設(shè)計商用載重量可達(dá)150噸、航程1．04萬km。A380F的中央翼盒采用了碳纖維增強塑料，這種材料質(zhì)量輕、強度高，采用新型材料和高技術(shù)將使A380F在性能上比老一代大型飛機更具優(yōu)勢?？罩锌蛙嚬菊J(rèn)為，全球貨運市場在未來20年內(nèi)將快速發(fā)展，但目前承運商面臨著收益減少和貨物密度下降的壓力，因此承運商希望貨機容量更大，以降低單位成本，A380F正是為這一需求而設(shè)計的。首架A380F于2008年投入運營。
最近幾年，尤其在亞洲和歐洲，飛機乘客數(shù)量的增加促進(jìn)了對新飛機的需求?！犊湛腿蚴袌鲱A(yù)測》估計，2006年～2025年間，飛機運營商將需要22700架客機和貨機。這些OEM正引領(lǐng)著結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料用量的巨大增長，其中包括碳纖維，其最新的應(yīng)用就是B787和A380飛機。
截至2007年12月，空客A380就收到189個訂單。A380為大型噴氣式客機，其結(jié)構(gòu)(包括主要結(jié)構(gòu))使用了22％的碳纖維復(fù)合材料。截至2008年1月中旬，波音公司宣布B787訂單達(dá)到857架。B787中碳纖維／環(huán)氧預(yù)浸料的唯一供應(yīng)商是東京的東麗公司(Toray)，兩家公司已經(jīng)就Torayca預(yù)浸料簽訂了長達(dá)18年的供應(yīng)合同。一直到2021年。據(jù)報道，787主要結(jié)構(gòu)的合同價值高達(dá)20．3億歐元(30億美元)。
碳纖維在中小型噴氣客機中的需求也將快速增長。例如，三菱重工利用碳纖維復(fù)合材料制作新一代支線噴氣客機MRJ主機翼和尾部組件，該機型預(yù)計在2013年進(jìn)入市場。
歐洲空中客車公司授予赫氏復(fù)材(Hexcel公司)其遠(yuǎn)程寬體客機A350XWB主結(jié)構(gòu)件的長期供應(yīng)合同，此合同要求赫氏復(fù)材供應(yīng)碳纖維復(fù)合材料直至2025年。隨著A350XWB設(shè)計告一段落，赫氏復(fù)材和空客公司將共同對用于主結(jié)構(gòu)件的赫氏復(fù)材產(chǎn)品進(jìn)行確認(rèn)，并完成最終的規(guī)范和認(rèn)證。此合同預(yù)計將給赫氏復(fù)材帶來40～50億美元的收人。另外，除用于主結(jié)構(gòu)件外，赫氏復(fù)材的復(fù)合材料還將用于A350的次結(jié)構(gòu)件和內(nèi)裝飾部件，產(chǎn)品包括織物、樹脂、預(yù)浸料、膠膜、蜂窩、HexMC模壓件等，這些與A350相關(guān)的材料也將為赫氏復(fù)材帶來相當(dāng)可觀的收入。根據(jù)該合同，赫氏復(fù)材將主要提供用新一代高韌性環(huán)氧樹脂浸漬HexTow茁中模量碳纖維的HexPly茁預(yù)浸料。赫氏復(fù)材為擴(kuò)大產(chǎn)能將明顯增加投資，以滿足日益增長的A350的訂單。確切的投資規(guī)模和時間將按照空客公司與其它供應(yīng)商的預(yù)測進(jìn)行。復(fù)合材料及其部件由赫氏復(fù)材在美國、法國、西班牙、德國及英國的工廠生產(chǎn)。
魯ICP備2021047099號