21世紀(jì)的“新材料之王”——碳纖維

2022-11-11 來源：艾邦高分子公眾號(hào)

碳纖維被譽(yù)為21世紀(jì)的“新材料之王”，最初用于航空航天等高端行業(yè)，近年來，隨著技術(shù)的成熟和成本的下降，碳纖維逐漸卸下“高冷”面具，越來越多地應(yīng)用在民用及消費(fèi)類產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域。

根據(jù)廣州賽奧發(fā)布的2020年碳纖維市場(chǎng)報(bào)告顯示，2020年，國(guó)內(nèi)碳纖維需求4.88萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)29%，國(guó)產(chǎn)纖維占比38%，同比增長(zhǎng)53.8%。由于國(guó)內(nèi)大力發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，碳纖維市場(chǎng)供不應(yīng)求，增長(zhǎng)迅速，國(guó)產(chǎn)占比也在逐年增加。下面我們就從碳纖維的種類、性能以及應(yīng)用，來了解這種高性能纖維。

一、碳纖維的種類和性能

碳纖維（Carbon Fiber，簡(jiǎn)稱 CF）是有機(jī)纖維（粘膠基、瀝青基、聚丙烯腈基纖維等）在高溫環(huán)境下裂解碳化形成碳主鏈結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)纖維，是一種含碳量高于 90%的無(wú)機(jī)纖維。不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。

1. 碳纖維的分類

碳纖維可以按照原絲種類、力學(xué)性能、絲束規(guī)格等進(jìn)行分類。

按原絲類型可分為：聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維和酚醛基碳纖維4大類。

其中，PAN基碳纖維由于生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)異，用途廣泛，占碳纖維總量的90%以上；瀝青基、粘膠基、酚醛基的產(chǎn)量規(guī)模較小。碳纖維的性能在很大程度上決定于原絲的質(zhì)量。

按形態(tài)可分為：長(zhǎng)絲、短纖維和短切纖維。
按力學(xué)性能可分為：通用型和高性能型。

通用型碳纖維強(qiáng)度為1000MPa，模量為100GPa左右，高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度2000MPa）和高模型（300GPa）

按照每束碳纖維中單絲根數(shù)，碳纖維可以分為：小絲束和大絲束兩大類別。

一般按照碳纖維中單絲根數(shù)與 1000 的比值命名，如12K、24K。

2. 碳纖維的主要性能特點(diǎn)

1）比重輕，密度是鋼的 1/4，是鋁合金的 1/2 ；

2）強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度在 3500 MPa 以上，比強(qiáng)度為鋼的10 倍；

3）模量高，彈性模量在 230 GPa 以上；

4）耐超高溫，在非氧化氣氛條件下，可在 2000℃時(shí)使用；

5）耐低溫，在-180℃低溫下，碳纖維依舊具有彈性；

6）耐酸、耐油、耐腐蝕、耐久性強(qiáng)；

7）熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大，耐急冷急熱，即使從 3000℃的高溫突然降到室溫也不會(huì)炸裂；

8）耐磨性好；

9）導(dǎo)電性能良好。

3. 碳纖維的應(yīng)用形式

目前已經(jīng)成熟的碳纖維應(yīng)用形式有四種：

1）碳纖維：主要以“纏繞成形法”應(yīng)用為主；

2）碳纖維織物：主要以“樹脂轉(zhuǎn)注成形法”應(yīng)用為主；

3）碳纖維預(yù)浸料：將連續(xù)碳纖維或碳纖維織物經(jīng)樹脂浸漬、加熱和塑化，成為預(yù)浸料；

4）短切碳纖維：短纖維與塑料、金、橡膠等材料進(jìn)行復(fù)合，以增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和耐磨性。

圖碳纖維熱塑性復(fù)合材料澳盛

二、碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域

碳纖維具有其他材料所不可替代的優(yōu)良性能，在航空航天、風(fēng)電葉片、體育休閑、汽車、壓力容器、碳碳復(fù)材、建筑等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其中風(fēng)電葉片、航空航天和休閑體育是碳纖維的前三大應(yīng)用領(lǐng)域，占據(jù)整個(gè)市場(chǎng)的近60%，而汽車需求近年來也有所增長(zhǎng)。

1. 風(fēng)機(jī)葉片

在碳中和的目標(biāo)下，風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源的重要力量之一，得到了大力發(fā)展。在我國(guó)，風(fēng)電葉片是碳纖維最重要的增長(zhǎng)市場(chǎng)，特別是制造超大型風(fēng)電機(jī)組所需葉片，必須使用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛性好的碳纖維，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)避免葉片在風(fēng)載作用下發(fā)生大變形甚至撞擊風(fēng)車支柱，碳纖維的導(dǎo)電性還能避免雷擊等。

2. 航天航空

碳纖維材料廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星、飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈和高速飛行器等航空航天領(lǐng)域。由于碳纖維質(zhì)量小，動(dòng)力消耗少，可節(jié)約大量燃料。民用客機(jī)是拉動(dòng)碳纖維需求增長(zhǎng)的主要力量，如機(jī)身、機(jī)翼等部件。

圖碳纖維用于飛機(jī)機(jī)身壁板，恒神股份

3. 體育休閑

體育休閑領(lǐng)域是碳纖維最早的商業(yè)化應(yīng)用，也是主要的應(yīng)用市場(chǎng)。如在高爾夫球桿、自行車架、釣魚竿、球拍、曲棍球棍、滑雪板、帆板桅桿、帳篷桿及棒球球棒等等高端休閑體育市場(chǎng)。

圖碳纖維用于自行車，東麗

4. 汽車領(lǐng)域

碳纖維復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于汽車的車身、傳動(dòng)軸、剎車片、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、新能源汽車動(dòng)力電池箱體和引擎蓋等，使汽車部件更加輕量化，承壓力更好。特別是新能源汽車對(duì)輕量化要求更高，以提高續(xù)航能力，碳纖維有利于實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)。