由碳纤维看新材料对新技术的引导
By www.carbonfiber.com.cn
1 碳纤维的结构与性能
碳纤维是指碳质量分数在90%~95%之间的无机高分子纤维， 是一种新型非金属材料， 具有耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、强度高、纤维密度低等特点。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷、混凝土等基体复合，构成复合材料， 用作航空航天、汽车、体育器械、纺织、化工机械及医学等领域的结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度、比模量综合指标， 在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域， 以及在要求化学稳定性高的场合， 碳纤维复合材料都颇具优势。
与传统材料相比， 碳纤维是一种力学性能优异的新材料， 其高强度（是一般金属的3~5 倍）、高模量、低密度（是一般金属的1/4~1/5） 的特性，使其成为减重、增强的最佳材料； 较高的热稳定性（惰性稳定至2000 ℃， 空气中400 ℃缓慢氧化） 和化学惰性， 使其具有耐烧蚀和耐腐蚀的优势； 由于碳纤维具备纺织纤维的柔软可加工性， 与金属、陶瓷、玻璃纤维等有良好亲合性， 可适应不同构件形状， 成型方便；此外， 碳纤维还具备抗疲劳强度高、热膨胀系数小、电阻率小等特性。图1 为碳纤维与传统材料的性能比较。
碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维； 按性能可分为通用型、高强型、中模高强型、高模型和超高模型碳纤维。
2 碳纤维的应用
碳纤维因其优异的特性， 在航空航天、能源、汽车、船舶、压力容器、民用工程与结构增强、机器部件和医疗器械以及信息技术相关产品等领域得到广泛应用。
2.1 碳纤维在航空航天方面的应用
碳纤维复合材料在宇航工业中被大量用作防热及结构材料， 如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件； 航天飞机机头、机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的测量构架、太阳能电池板和无线电天线等。在航空工业中， 主要被用作结构材料，如主翼、尾翼和机体、方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等， 此外还有C/C刹车片。大量碳纤维复合材料的应用可以减轻航空航天器的重量，节省油耗，提高航速。如以波音787 梦幻飞机为例， 其中复合材料占到整机重量的1/2。如果波音公司每月生产5 架7E7 飞机， 对碳纤维复合材料的需求量将达到每年1 500 t。空中客车公司制造的A380 是当今世界上最大的大型客机，可载客555 人， 飞行距离15 000 km， 能够无间断地在欧洲和亚洲之间飞行， 其采用的复合材料约占结构重量的35%~40%。据统计， 仅波音787、空中客车A380 和A400M 三种新型飞机对碳纤维复合材料的需求量达到3 000 t/a。
2.2 碳纤维与轻量化汽车
车用碳纤维复合材料的重量是钢铁材料的25％，但强度是钢材的10 倍，可用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件。目前钢铁材料约占车体重量的3/4， 如果汽车的钢材部件全部由碳纤维复合材料置换， 车体重量可减轻300 kg， 燃油效率提高36%， 二氧化碳排放量可削减17%。我国汽车产量已突破1 000 万辆/a， 预计还会继续上升。研制轻量化汽车是实现我国低碳经济的迫切需求。目前， 由于碳纤维成本过高， 碳纤维增强复合材料在汽车车身、底盘和刹车片中的应用非常有限， 仅限于一些F1 赛车、高级轿车。因此， 降低碳纤维复合材料的成本是各国科学家努力的方向。
2.3 碳纤维复合材料在电线电缆中的应用
1） 碳纤维电热地暖。21 世纪最科学的取暖方式是按需取暖。碳纤维电热地暖是以碳纤维通电发热为热源， 铺设在木地板或是水泥地面砖之下， 通过向外辐射波长为5~15 μm 的远红外光波来达到取暖的目的， 室内温度可达25 ℃~28 ℃。碳纤维电热转换率高达99%， 室温可由温控器精确控制， 实现按需取暖。加之碳纤维可耐温3000 ℃、耐折50000 次、不易氧化， 其外层绝缘材料耐温300 ℃，耐高压5 000 V， 所以安全性极高， 并且可保用50年以上。
2） 碳纤维节能超薄壁挂式散热器。采用碳纤维材料制成的超薄壁挂式散热器不仅具有通电即热、升温快（1~3 min 即可达到工作温度）、安全可靠、寿命长（使用寿命不低于10 万h） 等优点，而且热转换率高， 省电节能。丝碳纤维发热体的电热转换率达98%以上， 比金属丝发热体节电40%以上， 使用寿命可达30 年以上。且无跑冒滴露、腐蚀换件等后顾之忧， 终身免维护， 节省维护费用， 方便住宅小区物业管理，对人体有远红外线保健作用。
3） 碳纤维导线。与传统导线相比， 相同传输容量下， 碳纤维导线的线损可减少6.3%， 按全国全口径年发电量32 559 亿kW·h 计算， 可减少线损266.67 亿kW·h，相当于节约煤997.35万t/a（按发电耗煤374 g/kW·h 计算）； 新型碳纤维导线能节约一半的金属铝用量， 按电力电路100 万t/a 铝用量计算， 能节约铝材50 万t。而且， 新型导线在实现倍容量输电同时， 可节约一条线路所占用的土地。按照全国全年新增线路计算， 每年可节约土地2万km2， 对我国以及世界上其他土地资源紧缺的国家或地区而言， 尤为受益。同时， 适应风能、太阳能、核能等各种新能源碳纤维电缆的开发， 为我国新能源建设的发展提供了强有力的支持。
除此之外， 碳纤维在运动器材中还可用作网球拍和壁球拍及曲棍球杆和高尔夫球杆， 自行车， 赛艇， 滑雪板和雪车等。在土木建筑中用作幕墙、嵌板、间隔壁板、架设跨度大的管线、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板等。在化工中用作防腐泵、阀、槽、罐， 催化剂、吸附剂和密封制品等。在医疗器材中用作人造骨骼、牙齿、韧带、X 激光机的床板和胶卷盒等。其他电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。
3 国际国内碳纤维发展现状
1959 年， 日本的进藤昭男发明了用聚丙烯腈（PAN） 原丝生产碳纤维的方法。1962 年， 日本东丽公司开始生产， 之后又积极研制用于生产碳纤维的专用优质原丝， 并于1967 年成功生产牌号为T300 的PAN 基碳纤维。同时， 英国皇家航空研究所的Watt 等人， 对PAN 纤维生产进行技术改进，随后英国考陶尔公司（Courtaulds） 利用这项技术开始生产高强度PAN 基碳纤维。1969 年， 日本东丽公司研究成功特殊的单体共聚PAN 基碳纤维， 结合美国联合碳化物公司（Union Carbide） 的碳化技术，生产出高强度、高模量碳纤维。此后， 美国、法国、德国也都引进或开发了PAN 原丝及碳纤维的生产。开始原苏联主要研究以人造丝为原料制造碳纤维， 后转向PAN 基碳纤维。另外， 印度、南斯拉夫、以色列、韩国也在以PAN 原丝制取碳纤维方面开展了大量的研制工作。日本东丽公司的碳纤维研发与生产一直处于世界领先水平。20 世纪70 年代末以来， 国外许多以PAN 纤维为原料制造碳纤维的厂家在原料供应及碳纤维的生产、供销方面进行广泛合作与竞争， 促进了PAN 基碳纤维工业的长足发展。特别是进入20 世纪90 年代以后， PAN 基碳纤维应用领域日益扩展， 世界PAN 基碳纤维已进入发展旺盛的成熟期， 主要表现为： PAN 基碳纤维产量急剧提高， 生产规模大型化， 产品价格下降； PAN基碳纤维生产工艺、设备、技术不断改进， 碳纤维性能不断提高； 应用范围从少数高科技领域、军事部门扩展到整个工业民用的各个部门。日本东丽、东邦和三菱3 家公司占世界高性能小丝束碳纤维总生产能力的75.5%， 基本控制了世界高性能小丝束碳纤维的生产。福塔菲尔（Fort-afil）、卓尔泰克（Zohek）、阿尔迪拉（Aldila）、爱斯奇爱尔（SGL）等4 家公司垄断了世界大丝束碳纤维的生产。其中福塔菲尔公司占世界聚丙烯腈基大丝束碳纤维总生产能力的41.7%， 居世界首位。
我国从20 世纪60 年代后期开始研制碳纤维，20世纪70 年代初， 突破连续化工艺。1976 年， 中国科学院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN 基碳纤维扩大试验生产线， 生产能力为2 t/a；20 世纪80 年代开展了高强型碳纤维的研究， 于1998 年建成一条新的中试生产线， 规模为40 t/a。我国主要从事碳纤维研究的单位有中国科学院山西煤炭化学研究所、上海合成纤维研究所、北京化工大学、山东大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等。与国外相比， 我国的碳纤维工业无论产量、质量均有很大差距， 所以， 研制生产高性能、高质量的碳纤维， 满足军工和民用产品的需求， 扭转单纯依赖进口的局面， 是我国碳纤维工业发展亟待解决的问题。
4 新材料对新技术的引导
材料通常是指可以用来直接制造有用物件、构件或器件的物质。新材料指新出现的或正在发展中的，具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料；或采用新技术（工艺、装备），使传统材料性能有明显提高或产生新功能的材料；一般认为满足高技术产业发展需要的一些关键材料也属于新材料的范畴， 如光电子信息材料、先进复合材料、超级陶瓷材料、新型金属材料、新型高分子材料、超导材料等。
每一种新材料的发现和使用都会伴随着人类的文明进程（见图2）。从石器、青铜器和铁器时代，材料在人类社会发展进程中发挥着重要的作用。陶器作为第一种人造材料结束了人类的石器时代， 使人类从蒙昧时代进入野蛮时代； 在这个野蛮时代，人类发明了青铜， 青铜制造的农具促进了农业发展， 而青铜制造的兵器把人类带进了冷兵器时代；铁器的发明大大促进了当时社会的发展， 又把人类文明向前推进了一大步； 钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用， 人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会； 20 世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用， 则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。进入新材料时代， 各种功能复合材料成为材料领域最活跃的部分， 是新材料的代表，见图3。
材料是人类生存和生活必不可缺少的部分， 是人类文明的物质基础和先导， 是直接推动社会发展的动力。材料与现代科学技术特别是高技术联系密切， 它们互相依存、互相促进， 共同推动经济发展和社会进步。一种新材料的出现， 可以给人类的生产和生活带来新的变化， 甚至引起生产技术的革命， 加快社会发展的进程。而高新技术的不断发展又为材料科学提供了更有力的研究工具。
当前世界上新材料技术的研究发展热点主要集中在信息材料（激光材料、高亮度发光二极管材料、红外探测器材料、液晶显示材料、光纤材料等）、新能源材料（高能储氢材料、聚合物锂离子电池材料、质子交换膜燃料电池材料、多晶薄膜太阳能电池材料等）、生物医用材料（药物控制释放材料、组织工程材料、纳米生物材料、生物活性材料、介入诊断和治疗材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官、人造血液等）、纳米材料与技术（特种纳米碳材料、纳米粉体材料、纳米复合材料、纳米改性的纺织品及医疗保健等）、超导材料与技术（第二代高温超导带材）、化工新材料、高性能结构材料等方面， 并将新材料与信息、能源并列为现代文明的三大支柱， 可以说， 当今世界各国在高技术领域的竞争， 很大程度上是新材料水平的较量。我们有理由相信， 新材料技术的飞速发展必将为我们带来更美好的明天。
1 碳纤维的结构与性能
碳纤维是指碳质量分数在90%~95%之间的无机高分子纤维， 是一种新型非金属材料， 具有耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、强度高、纤维密度低等特点。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷、混凝土等基体复合，构成复合材料， 用作航空航天、汽车、体育器械、纺织、化工机械及医学等领域的结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度、比模量综合指标， 在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域， 以及在要求化学稳定性高的场合， 碳纤维复合材料都颇具优势。
与传统材料相比， 碳纤维是一种力学性能优异的新材料， 其高强度（是一般金属的3~5 倍）、高模量、低密度（是一般金属的1/4~1/5） 的特性，使其成为减重、增强的最佳材料； 较高的热稳定性（惰性稳定至2000 ℃， 空气中400 ℃缓慢氧化） 和化学惰性， 使其具有耐烧蚀和耐腐蚀的优势； 由于碳纤维具备纺织纤维的柔软可加工性， 与金属、陶瓷、玻璃纤维等有良好亲合性， 可适应不同构件形状， 成型方便；此外， 碳纤维还具备抗疲劳强度高、热膨胀系数小、电阻率小等特性。图1 为碳纤维与传统材料的性能比较。
碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维； 按性能可分为通用型、高强型、中模高强型、高模型和超高模型碳纤维。
2 碳纤维的应用
碳纤维因其优异的特性， 在航空航天、能源、汽车、船舶、压力容器、民用工程与结构增强、机器部件和医疗器械以及信息技术相关产品等领域得到广泛应用。
2.1 碳纤维在航空航天方面的应用
碳纤维复合材料在宇航工业中被大量用作防热及结构材料， 如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件； 航天飞机机头、机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的测量构架、太阳能电池板和无线电天线等。在航空工业中， 主要被用作结构材料，如主翼、尾翼和机体、方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等， 此外还有C/C刹车片。大量碳纤维复合材料的应用可以减轻航空航天器的重量，节省油耗，提高航速。如以波音787 梦幻飞机为例， 其中复合材料占到整机重量的1/2。如果波音公司每月生产5 架7E7 飞机， 对碳纤维复合材料的需求量将达到每年1 500 t。空中客车公司制造的A380 是当今世界上最大的大型客机，可载客555 人， 飞行距离15 000 km， 能够无间断地在欧洲和亚洲之间飞行， 其采用的复合材料约占结构重量的35%~40%。据统计， 仅波音787、空中客车A380 和A400M 三种新型飞机对碳纤维复合材料的需求量达到3 000 t/a。
2.2 碳纤维与轻量化汽车
车用碳纤维复合材料的重量是钢铁材料的25％，但强度是钢材的10 倍，可用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件。目前钢铁材料约占车体重量的3/4， 如果汽车的钢材部件全部由碳纤维复合材料置换， 车体重量可减轻300 kg， 燃油效率提高36%， 二氧化碳排放量可削减17%。我国汽车产量已突破1 000 万辆/a， 预计还会继续上升。研制轻量化汽车是实现我国低碳经济的迫切需求。目前， 由于碳纤维成本过高， 碳纤维增强复合材料在汽车车身、底盘和刹车片中的应用非常有限， 仅限于一些F1 赛车、高级轿车。因此， 降低碳纤维复合材料的成本是各国科学家努力的方向。
2.3 碳纤维复合材料在电线电缆中的应用
1） 碳纤维电热地暖。21 世纪最科学的取暖方式是按需取暖。碳纤维电热地暖是以碳纤维通电发热为热源， 铺设在木地板或是水泥地面砖之下， 通过向外辐射波长为5~15 μm 的远红外光波来达到取暖的目的， 室内温度可达25 ℃~28 ℃。碳纤维电热转换率高达99%， 室温可由温控器精确控制， 实现按需取暖。加之碳纤维可耐温3000 ℃、耐折50000 次、不易氧化， 其外层绝缘材料耐温300 ℃，耐高压5 000 V， 所以安全性极高， 并且可保用50年以上。
2） 碳纤维节能超薄壁挂式散热器。采用碳纤维材料制成的超薄壁挂式散热器不仅具有通电即热、升温快（1~3 min 即可达到工作温度）、安全可靠、寿命长（使用寿命不低于10 万h） 等优点，而且热转换率高， 省电节能。丝碳纤维发热体的电热转换率达98%以上， 比金属丝发热体节电40%以上， 使用寿命可达30 年以上。且无跑冒滴露、腐蚀换件等后顾之忧， 终身免维护， 节省维护费用， 方便住宅小区物业管理，对人体有远红外线保健作用。
3） 碳纤维导线。与传统导线相比， 相同传输容量下， 碳纤维导线的线损可减少6.3%， 按全国全口径年发电量32 559 亿kW·h 计算， 可减少线损266.67 亿kW·h，相当于节约煤997.35万t/a（按发电耗煤374 g/kW·h 计算）； 新型碳纤维导线能节约一半的金属铝用量， 按电力电路100 万t/a 铝用量计算， 能节约铝材50 万t。而且， 新型导线在实现倍容量输电同时， 可节约一条线路所占用的土地。按照全国全年新增线路计算， 每年可节约土地2万km2， 对我国以及世界上其他土地资源紧缺的国家或地区而言， 尤为受益。同时， 适应风能、太阳能、核能等各种新能源碳纤维电缆的开发， 为我国新能源建设的发展提供了强有力的支持。
除此之外， 碳纤维在运动器材中还可用作网球拍和壁球拍及曲棍球杆和高尔夫球杆， 自行车， 赛艇， 滑雪板和雪车等。在土木建筑中用作幕墙、嵌板、间隔壁板、架设跨度大的管线、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板等。在化工中用作防腐泵、阀、槽、罐， 催化剂、吸附剂和密封制品等。在医疗器材中用作人造骨骼、牙齿、韧带、X 激光机的床板和胶卷盒等。其他电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。
3 国际国内碳纤维发展现状
1959 年， 日本的进藤昭男发明了用聚丙烯腈（PAN） 原丝生产碳纤维的方法。1962 年， 日本东丽公司开始生产， 之后又积极研制用于生产碳纤维的专用优质原丝， 并于1967 年成功生产牌号为T300 的PAN 基碳纤维。同时， 英国皇家航空研究所的Watt 等人， 对PAN 纤维生产进行技术改进，随后英国考陶尔公司（Courtaulds） 利用这项技术开始生产高强度PAN 基碳纤维。1969 年， 日本东丽公司研究成功特殊的单体共聚PAN 基碳纤维， 结合美国联合碳化物公司（Union Carbide） 的碳化技术，生产出高强度、高模量碳纤维。此后， 美国、法国、德国也都引进或开发了PAN 原丝及碳纤维的生产。开始原苏联主要研究以人造丝为原料制造碳纤维， 后转向PAN 基碳纤维。另外， 印度、南斯拉夫、以色列、韩国也在以PAN 原丝制取碳纤维方面开展了大量的研制工作。日本东丽公司的碳纤维研发与生产一直处于世界领先水平。20 世纪70 年代末以来， 国外许多以PAN 纤维为原料制造碳纤维的厂家在原料供应及碳纤维的生产、供销方面进行广泛合作与竞争， 促进了PAN 基碳纤维工业的长足发展。特别是进入20 世纪90 年代以后， PAN 基碳纤维应用领域日益扩展， 世界PAN 基碳纤维已进入发展旺盛的成熟期， 主要表现为： PAN 基碳纤维产量急剧提高， 生产规模大型化， 产品价格下降； PAN基碳纤维生产工艺、设备、技术不断改进， 碳纤维性能不断提高； 应用范围从少数高科技领域、军事部门扩展到整个工业民用的各个部门。日本东丽、东邦和三菱3 家公司占世界高性能小丝束碳纤维总生产能力的75.5%， 基本控制了世界高性能小丝束碳纤维的生产。福塔菲尔（Fort-afil）、卓尔泰克（Zohek）、阿尔迪拉（Aldila）、爱斯奇爱尔（SGL）等4 家公司垄断了世界大丝束碳纤维的生产。其中福塔菲尔公司占世界聚丙烯腈基大丝束碳纤维总生产能力的41.7%， 居世界首位。
我国从20 世纪60 年代后期开始研制碳纤维，20世纪70 年代初， 突破连续化工艺。1976 年， 中国科学院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN 基碳纤维扩大试验生产线， 生产能力为2 t/a；20 世纪80 年代开展了高强型碳纤维的研究， 于1998 年建成一条新的中试生产线， 规模为40 t/a。我国主要从事碳纤维研究的单位有中国科学院山西煤炭化学研究所、上海合成纤维研究所、北京化工大学、山东大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等。与国外相比， 我国的碳纤维工业无论产量、质量均有很大差距， 所以， 研制生产高性能、高质量的碳纤维， 满足军工和民用产品的需求， 扭转单纯依赖进口的局面， 是我国碳纤维工业发展亟待解决的问题。
4 新材料对新技术的引导
材料通常是指可以用来直接制造有用物件、构件或器件的物质。新材料指新出现的或正在发展中的，具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料；或采用新技术（工艺、装备），使传统材料性能有明显提高或产生新功能的材料；一般认为满足高技术产业发展需要的一些关键材料也属于新材料的范畴， 如光电子信息材料、先进复合材料、超级陶瓷材料、新型金属材料、新型高分子材料、超导材料等。
每一种新材料的发现和使用都会伴随着人类的文明进程（见图2）。从石器、青铜器和铁器时代，材料在人类社会发展进程中发挥着重要的作用。陶器作为第一种人造材料结束了人类的石器时代， 使人类从蒙昧时代进入野蛮时代； 在这个野蛮时代，人类发明了青铜， 青铜制造的农具促进了农业发展， 而青铜制造的兵器把人类带进了冷兵器时代；铁器的发明大大促进了当时社会的发展， 又把人类文明向前推进了一大步； 钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用， 人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会； 20 世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用， 则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。进入新材料时代， 各种功能复合材料成为材料领域最活跃的部分， 是新材料的代表，见图3。
材料是人类生存和生活必不可缺少的部分， 是人类文明的物质基础和先导， 是直接推动社会发展的动力。材料与现代科学技术特别是高技术联系密切， 它们互相依存、互相促进， 共同推动经济发展和社会进步。一种新材料的出现， 可以给人类的生产和生活带来新的变化， 甚至引起生产技术的革命， 加快社会发展的进程。而高新技术的不断发展又为材料科学提供了更有力的研究工具。
当前世界上新材料技术的研究发展热点主要集中在信息材料（激光材料、高亮度发光二极管材料、红外探测器材料、液晶显示材料、光纤材料等）、新能源材料（高能储氢材料、聚合物锂离子电池材料、质子交换膜燃料电池材料、多晶薄膜太阳能电池材料等）、生物医用材料（药物控制释放材料、组织工程材料、纳米生物材料、生物活性材料、介入诊断和治疗材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官、人造血液等）、纳米材料与技术（特种纳米碳材料、纳米粉体材料、纳米复合材料、纳米改性的纺织品及医疗保健等）、超导材料与技术（第二代高温超导带材）、化工新材料、高性能结构材料等方面， 并将新材料与信息、能源并列为现代文明的三大支柱， 可以说， 当今世界各国在高技术领域的竞争， 很大程度上是新材料水平的较量。我们有理由相信， 新材料技术的飞速发展必将为我们带来更美好的明天。
