1、 碳纖維結(jié)構(gòu)

    用X-射線、電子衍射和電子顯微鏡研究真實(shí)的碳纖維結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，碳纖維屬于亂層石墨結(jié)構(gòu) ， 基元是六角形碳原子的層晶格，由層晶格組成層平面。在層平面內(nèi)的碳原子以強(qiáng)的共價(jià)鍵相連， 其鍵長(zhǎng)為0.1421 nm；在層平面之間則由弱的范德華力相連， 層間距在0.3360 ～ 0.3440 nm之間；層與層之間碳原子沒(méi)有規(guī)則的固定位置， 因而層片邊緣參差不齊。

    碳纖維結(jié)構(gòu)示意圖

    2、碳纖維特性

    碳纖維是纖維狀的碳材料， 由有機(jī)纖維原絲在1000℃以上的高溫下碳化形成， 且含碳量在90%以上的高性能纖維材料。碳纖維主要具備以下特性：

    ①密度小、質(zhì)量輕， 碳纖維的密度為1.5~2 g/cm3 ， 相當(dāng)于鋼密度的1/4、鋁合金密度的1/2；

    ②強(qiáng)度、彈性模量高， 其強(qiáng)度比鋼大4~5倍， 彈性回復(fù)為100%；

    ③熱膨脹系數(shù)小， 導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降， 耐驟冷、急熱， 即使從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會(huì)炸裂；

    ④摩擦系數(shù)小，并具有潤(rùn)滑性；

    ⑤導(dǎo)電性好，25℃時(shí)高模量碳纖維的比電阻為775μΨ/cm， 高強(qiáng)度碳纖維則為1500μΨ/cm；

    ⑥耐高溫和低溫性好， 在3000℃非氧化氣氛下不熔化、不軟化， 在液氮溫度下依舊很柔軟， 也不脆化；

    ⑦耐酸性好， 對(duì)酸呈惰性， 能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕 。除此之外， 碳纖維還具有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和使中子減速等特性。

    3、碳纖維主要分類

    碳纖維可從以下兩個(gè)方面進(jìn)行分類：

    （1）根據(jù)碳纖維的力學(xué)性能可分為高模量， 超高模量， 高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度4種；

    （2）根據(jù)原絲的類型可分為聚丙烯腈基碳纖維、纖維素基碳纖維、瀝青基碳纖維、酚醛基碳纖維等。

    3.1 聚丙烯腈基碳纖維

    聚丙烯腈（PAN）基碳纖維由聚丙烯腈經(jīng)紡絲、預(yù)氧、碳化幾個(gè)階段形成。PAN基碳纖維具有高強(qiáng)度、高剛度、重量輕、耐高溫、耐腐蝕、優(yōu)異的電性能等特點(diǎn)， 并具有很強(qiáng)的抗壓抗彎性能， 一直在增強(qiáng)復(fù)合材料中保持著主導(dǎo)地位。目前， PAN基碳纖維仍是碳纖維市場(chǎng)中的主流。

    主要應(yīng)用領(lǐng)域有：航空航天工業(yè)， 地面交通工具， 如汽車、賽車、快速列車等， 造船工業(yè)、碼頭和海上設(shè)施， 體育用品與休閑用品， 電子產(chǎn)品， 基礎(chǔ)設(shè)施以及造紙、紡織、醫(yī)療器械、化工、冶金、石油、機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)域， 要求零部件在高強(qiáng)度、高剛度、重量輕、耐高溫、耐腐蝕等環(huán)境下工作。

    3.2 粘膠基碳纖維

    粘膠基碳纖維是由主要成分為纖維素的粘膠纖維經(jīng)過(guò)脫水、熱解然后碳化而得來(lái)的。粘膠基碳纖維的三維石墨結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)， 導(dǎo)熱系數(shù)小；石墨層間距大， 石墨微晶取向度低， 因此是理想的耐燒蝕和隔熱及熱防護(hù)材料。同時(shí)， 粘膠基碳纖維是由天然纖維素木材或棉絨轉(zhuǎn)化而來(lái)， 與生物的相容性極好， 又可作為良好的環(huán)保和醫(yī)用衛(wèi)生材料。

    由于生產(chǎn)粘膠基碳纖維的工藝流程較長(zhǎng)， 工藝條件苛刻， 不適宜大批量生產(chǎn)， 成本較高；另外，粘膠基碳纖維的整體性能指標(biāo)比PAN基碳纖維的要差， 綜合性能價(jià)格比在競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)， 因此從20世紀(jì)60年代以來(lái)其生產(chǎn)規(guī)模逐漸萎縮， 目前產(chǎn)量已不足世界碳纖維產(chǎn)量的1%。

    3.3 瀝青基碳纖維

    瀝青基碳纖維是以石油瀝青或煤瀝青為原料， 經(jīng)瀝青的精制、紡絲、預(yù)氧化、碳化或石墨化而制成。瀝青基碳纖維的生產(chǎn)原料成本低于聚丙烯腈基碳纖維， 但由于瀝青基碳纖維的生產(chǎn)工藝復(fù)雜， 反而使其生產(chǎn)成本大大增加。此外， 瀝青基碳纖維抗壓強(qiáng)度比較低， 其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纖維， 因此其生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)域都受到了一定限制。不過(guò)， 由于瀝青基碳纖維具有優(yōu)良的傳熱、導(dǎo)電性能和極低的熱膨脹系數(shù)， 因此仍在必須要求這些性能的軍工及航天領(lǐng)域發(fā)揮著獨(dú)特作用。

    3.4 酚醛基碳纖維

    酚醛基碳纖維阻燃性、絕緣性極好；可在松弛條件下碳化， 加工工藝簡(jiǎn)單， 碳化時(shí)間短且溫度低， 碳化率高， 且手感柔軟， 但強(qiáng)度和模量較低。酚醛基碳纖維主要用于復(fù)寫紙?jiān)希?耐腐蝕電線， 以及用來(lái)制造耐熱、防化防毒、無(wú)塵等特種服裝。

    4 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

    盡管碳纖維可單獨(dú)使用發(fā)揮某些功能， 然而， 它屬于脆性材料， 只有將它與基體材料牢固地結(jié)合在一起時(shí)， 才能利用其優(yōu)異的力學(xué)性能， 使之更好地承載負(fù)荷。因此， 碳纖維主要還是在復(fù)合材料中作增強(qiáng)材料。根據(jù)使用目的不同可選用各種基體材料和復(fù)合方式來(lái)達(dá)到所要求的復(fù)合效果。碳纖維可用來(lái)增強(qiáng)樹(shù)脂、碳、金屬及各種無(wú)機(jī)陶瓷， 而目前使用得最多、最廣泛的是樹(shù)脂基復(fù)合材料 。

    4.1 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）優(yōu)點(diǎn)：

    （1） 比強(qiáng)度、比模量高：CFRP 的比強(qiáng)度比鋼高5倍，比模量也比鋼高。

    （2） 密度小，強(qiáng)度高：CFRP 的密度是其它金屬材料密度的0.5 倍左右。高性能的CFRP強(qiáng)度能達(dá)到鋼材的十幾倍。

    （3） 抗疲勞特性好：CFRP 的疲勞極限是拉伸強(qiáng)度的70%～80%，遠(yuǎn)大于一般金屬的疲勞極限（40%～50%）。

    （4） 抗震性能好：CFRP 中基體纖維界面可以吸收較大的震動(dòng)能量，因此抗震性能好。

    （5） 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)：CFRP 具有各向異性，可以通過(guò)改變各鋪層的方向和層數(shù)來(lái)得到滿足強(qiáng)度、剛度和各種特殊需求。

    （6） 高溫性能好：CFRP 在400℃的高溫下強(qiáng)度和彈性模量幾乎無(wú)變化，而鋁合金在400℃下強(qiáng)度顯著下降，彈性模量幾乎下降到零。

    （7） 成型性好：易于大面積整體成型。

    4.2 碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

    陶瓷具有優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性、耐高溫性和化學(xué)穩(wěn)定性， 廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用產(chǎn)品。但是， 它的致命弱點(diǎn)是脆性大， 并且對(duì)裂紋、氣孔和夾雜物等細(xì)微的缺陷很敏感。用碳纖維增強(qiáng)陶瓷可有效地改善韌性， 改變陶瓷的脆性斷裂形態(tài)， 同時(shí)阻止裂紋在陶瓷基體中的迅速傳播、擴(kuò)展。

    目前國(guó)內(nèi)外比較成熟的碳纖維增強(qiáng)陶瓷材料是碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料， 因其具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能， 在高溫下服役不需要額外的隔熱措施， 因而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、可重復(fù)使用航天飛行器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

    4.3 碳/碳復(fù)合材料

    碳/碳復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料的簡(jiǎn)稱， 也是一種高級(jí)復(fù)合材料。它是由碳纖維或織物、編織物等增強(qiáng)碳基復(fù)合材料構(gòu)成。碳/碳復(fù)合材料主要由各類碳組成， 即纖維碳、樹(shù)脂碳和沉積碳。這種完全由人工設(shè)計(jì)、制造出來(lái)的純碳元素構(gòu)成的復(fù)合材料具有許多優(yōu)異性能， 除具備高強(qiáng)度、高剛性、尺寸穩(wěn)定、抗氧化和耐磨損等特性外， 還具有較高的斷裂韌性和假塑性。特別是在高溫環(huán)境中， 強(qiáng)度高、不熔不燃， 僅是均勻燒蝕。這是任何金屬材料無(wú)法與其比擬的。因此廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭， 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管以及飛機(jī)剎車盤等高科技領(lǐng)域 。

    4.4 碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

    碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)纖維， 金屬為基體的復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料與金屬材料相比， 具有高的比強(qiáng)度和比模量；與陶瓷相比， 具有高的韌性和耐沖擊性能。金屬基體多采用鋁、鎂、鎳、鈦及它們的合金等。其中， 碳纖維增強(qiáng)鋁、鎂復(fù)合材料的制備技術(shù)比較成熟。

    制造碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要技術(shù)難點(diǎn)是碳纖維的表面涂層， 以防止在復(fù)合過(guò)程中損傷碳纖維， 從而使復(fù)合材料的整體性能下降。目前， 在制備碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)碳纖維的表面改性主要采用氣相沉積、液鈉法等， 但因其過(guò)程復(fù)雜、成本高， 限制了碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用 。

    4.5 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料

    碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。它以輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料， 是其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所無(wú)法比擬的 。

    CFRP具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用， 如航天飛機(jī)的艙門、仿生機(jī)械臂以及壓力容器等。隨著航空制造技術(shù)的不斷發(fā)展， 先進(jìn)民用飛機(jī)在結(jié)構(gòu)中大量地使用了碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料， 主要部位有：整流包皮、副翼、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、阻力板、擾流器、起落架艙門、水平和垂直尾翼、方向舵及其他主要及次要承力結(jié)構(gòu)件等。在民用領(lǐng)域， 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用也不斷擴(kuò)大， 如汽車結(jié)構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、體育器材等。

    5、碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)情況

    碳纖維復(fù)合材料（CFRP） 問(wèn)世于20 世紀(jì)四、五十年代，最早由美國(guó)開(kāi)始制造。1950 年，在美國(guó)空軍基地，人們2 000℃的高溫下首次通過(guò)牽引人造絲制備得到了CFRP，隨后CFRP 進(jìn)入到了高速發(fā)展時(shí)期。1959 年美國(guó)聯(lián)合碳化物公司以粘膠纖維為原絲制成纖維素基CFRP ；1969 年日本東麗公司研制成功高比強(qiáng)度和高比模量的碳纖維。碳纖維的生產(chǎn)，在國(guó)際上一直由美、日兩國(guó)主導(dǎo)，目前日本東麗、東邦和三菱人造絲三家日本公司，占據(jù)世界70% 以上的高性能軍用碳纖維生產(chǎn)份額。

    （1）中國(guó)碳纖維實(shí)際產(chǎn)量低于常能

    據(jù)寶鋼集團(tuán)寶汽新能源控股首席技術(shù)官宋廷瑞介紹，碳纖維的產(chǎn)量其實(shí)非常低，相當(dāng)于鋼鐵和鋁合金。上圖可以看到：2014 年全球碳纖維總共 40 萬(wàn)噸左右，中國(guó)目前實(shí)際產(chǎn)能將近 1 萬(wàn)噸，但實(shí)際產(chǎn)量只有 3000 多噸。所以基本上國(guó)內(nèi)碳纖維的現(xiàn)狀就是，實(shí)際產(chǎn)量遠(yuǎn)低于產(chǎn)能。

    （2）全球碳纖維市場(chǎng)需求量龐大

    據(jù)美國(guó)復(fù)合材料預(yù)測(cè)和咨詢公司2015年做出的一個(gè)詳細(xì)預(yù)測(cè)，全球范圍內(nèi)碳纖維的需求量是與日俱增的。全球碳纖維市場(chǎng)分為消費(fèi)品和體育休閑，航空航天和工業(yè)。其中工業(yè)包括汽車風(fēng)電等其他具體需求。

    受益于美國(guó)液燃?xì)鈿馄康脑鲩L(zhǎng)以及海上風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，尤其是應(yīng)對(duì)新能源汽車和傳統(tǒng)汽車的輕量化要求，汽車廠汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)碳纖維的需求量實(shí)際非常龐大。預(yù)計(jì)在 2020 年全球碳纖維的需求量可能實(shí)現(xiàn) 13 萬(wàn)噸。如下表示。

    6、碳纖維復(fù)合材料用于小型飛機(jī)

    國(guó)內(nèi)首款全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的五座飛機(jī)

    （1）比強(qiáng)度和比剛度大：相比于其它復(fù)合材料，在滿足飛機(jī)機(jī)體相同強(qiáng)度和剛度的前提下，碳纖維復(fù)合材料高比強(qiáng)度和高比剛度的特性能夠大大減輕機(jī)身質(zhì)量，降低載荷成本，對(duì)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化、小型化和高性能化意義重大，以確保飛機(jī)尤其是無(wú)人機(jī)擁有更長(zhǎng)的飛行距離和飛行時(shí)間。

    （2）可整體一體化成型：小型機(jī)往往需要具有高度翼身融合的飛翼式總體氣動(dòng)外形，需要在結(jié)構(gòu)上采用大面積整體一體化成型技術(shù)。而碳纖維復(fù)合材料不僅可以通過(guò)模壓成型、熱壓罐外固化成型或RTM樹(shù)脂傳遞模塑成型等工藝進(jìn)行大面積一體化整體成型，而且還可以引入自動(dòng)化流水線生產(chǎn)工藝，提高效率，大大降低生產(chǎn)制造成本，非常適合大規(guī)模制造小型機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)。

    （3）耐腐蝕和耐熱性好：碳纖維復(fù)合材料還具有優(yōu)異的耐腐蝕和耐熱性能，能夠耐受自然界中的水和多種介質(zhì)的腐蝕以及熱膨脹的影響，可滿足飛機(jī)各種環(huán)境條件下長(zhǎng)儲(chǔ)存壽命的特殊要求，降低使用維護(hù)的壽命周期成本。

    （4）可植入芯片或合金導(dǎo)體：碳纖維復(fù)合材料還可以植入芯片或合金導(dǎo)體，形成具有智能的結(jié)構(gòu)整體，可在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用，且不會(huì)破壞植入的設(shè)備性能，能夠可靠的執(zhí)行特殊任務(wù)。

    7、碳纖維復(fù)合材料用于汽車輕量化

    通用汽車全球研發(fā)總監(jiān)認(rèn)為，未來(lái)汽車發(fā)展將呈現(xiàn)四個(gè)方向：輕量化、電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。這是電動(dòng)汽車，尤其對(duì)自動(dòng)駕駛和智能電動(dòng)汽車而言的四個(gè)基本點(diǎn)。

    應(yīng)用于汽車輕量化的復(fù)合材料，尤其是先進(jìn)復(fù)合材料，是指用碳纖維等高性能纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。寶馬和大眾均曾預(yù)測(cè)，在 2020 年碳纖維制品的成本會(huì)與鋁合金持平，碳纖維復(fù)合材料尤其它的可設(shè)計(jì)性和模塊化，會(huì)大大的會(huì)或者徹底顛覆整個(gè)汽車的制造格局，從而完全顛覆現(xiàn)有的汽車產(chǎn)業(yè)格局。

    隨著我國(guó)在碳纖維生產(chǎn)以及復(fù)合材料制備工藝領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展， 碳纖維及其復(fù)合材料在建筑、交通、化工等民用領(lǐng)域的應(yīng)用前景將十分樂(lè)觀，以碳纖維復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料制作建筑物的橫梁、抗震結(jié)構(gòu)， 補(bǔ)強(qiáng)、修補(bǔ)或加固橋梁， 制造油田勘探和開(kāi)采器材以及平臺(tái)、油、氣儲(chǔ)罐等將會(huì)有很大的發(fā)展，而其在航空航天及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛。