碳碳纤纤维维的的发发展展及及其其应应用用现现状状 httpwww.cnfrp.net 发发布布日日期期 2006-03-06 前前言言1959 年年， ，日日本本人人 Shindo A 首首先先发发明明了了用用聚聚丙丙烯烯腊腊(PAN)纤纤维维制制造造碳碳纤纤维维， ，如如今今碳碳纤纤维维已已发发展展成成为为独独立立完完整整的的新新型型工工业业体体系系， ，并并被被喻喻为为是是当当今今世世界界上上材材料料综综合合性性能能的的顶顶峰峰， ，是是 21 世世纪纪的的黑黑色色革革命命。 。美美国国提提出出 21世世纪纪革革命命性性的的材材料料技技术术共共有有 12 项项， ，其其中中“新新一一代代碳碳纤纤维维、 、纳纳米米碳碳管管”位位居居第第四四。 。碳碳纤纤维维主主要要是是由由碳碳元元素素组组成成的的一一种种特特种种纤纤维维， ，分分子子结结构构界界于于石石墨墨与与金金刚刚石石之之间间， ，含含碳碳体体积积分分数数随随种种类类不不同同而而异异， ，一一般般在在 0.9 以以上上。 。碳碳纤纤维维的的显显著著优优点点是是质质量量轻轻、 、纤纤度度好好和和抗抗拉拉强强度度高高， ，同同时时具具有有一一般般碳碳材材料料的的特特性性， ，如如耐耐高高温温、 、耐耐摩摩擦擦、 、导导电电、 、导导热热、 、膨膨胀胀系系数数小小等等。 。由由于于碳碳纤纤维维这这些些优优异异的的综综合合性性能能， ，使使其其与与树树脂脂、 、金金属属、 、陶陶瓷瓷等等基基体体复复合合后后形形成成的的碳碳纤纤维维复复合合材材料料， ，也也具具有有高高的的比比强强度度、 、比比模模量量、 、耐耐疲疲劳劳、 、导导热热、 、导导电电等等一一系系列列优优良良性性质质， ，在在现现代代工工业业方方面面应应用用非非常常广广泛泛。 。1 碳碳纤纤维维的的分分类类与与性性能能1 1 碳碳纤纤维维的的分分类类(1)按按力力学学性性能能可可分分为为 4 类类 超超高高模模量量（ （UHM） ）碳碳纤纤维维； ；高高模模量量（ （HM)碳碳纤纤维维； ；超超高高强强度度（ （UHS)碳碳纤纤维维； ；高高强强度度（ （HS） ）碳碳纤纤维维。 。(2)按按原原材材料料可可分分为为 3 类类PAN 碳碳纤纤维维、 、沥沥青青碳碳纤纤维维和和人人造造丝丝碳碳纤纤维维。 。均均由由原原料料纤纤维维高高温温碳碳化化成成， ，成成分分基基本本都都是是碳碳元元素素， ，其其主主要要性性能能见见表表 1,目目前前结结构构复复合合材材料料中中大大多多数数使使用用 PAN 碳碳纤纤维维。 。(3)按按用用途途可可分分为为 2 类类24K 以以下下为为宇宇航航级级小小丝丝束束碳碳纤纤维维(1K为为 1000 根根单单丝丝） ）； ；48K 以以上上为为工工业业级级大大丝丝束束碳碳纤纤维维。 。1.2 碳碳纤纤维维的的主主要要性性能能强强度度高高。 。其其抗抗拉拉强强度度在在 3500MPa 以以上上 模模量量高高。 。其其弹弹性性模模量量在在 230GPa 以以上上。 。密密度度小小， ，比比强强度度高高。 。碳碳纤纤维维的的密密度度是是钢钢的的 14,是是铝铝合合金金的的 12， ，其其比比强强度度比比钢钢大大 16 倍倍， ，比比铝铝合合金金大大 12 倍倍。 。能能耐耐超超高高温温。 。在在非非氧氧化化气气氛氛条条件件下下， ，碳碳纤纤维维可可在在 2000时时使使用用， ，在在3000的的高高温温下下不不融融熔熔软软化化。 。耐耐低低温温性性能能好好。 。在在 180低低温温下下， ，钢钢铁铁变变得得比比玻玻璃璃脆脆， ，而而碳碳纤纤维维依依旧旧很很柔柔软软 耐耐酸酸性性能能好好。 。能能耐耐浓浓盐盐酸酸、 、磷磷酸酸、 、硫硫酸酸、 、苯苯、 、丙丙酮酮等等介介质质侵侵蚀蚀。 。将将碳碳纤纤维维放放在在浓浓度度为为 50的的盐盐酸酸、 、硫硫酸酸和和磷磷酸酸中中， ，200d 后后其其弹弹性性模模量量、 、强强度度和和直直径径基基本本没没有有变变化化： ：在在 50浓浓度度的的硝硝酸酸中中只只是是稍稍有有膨膨胀胀， ，其其耐耐腐腐蚀蚀性性能能超超过过黄黄金金和和铂铂金金。 。此此外外， ，碳碳纤纤维维的的耐耐油油、 、耐耐腐腐蚀蚀性性能能也也很很好好。 。热热膨膨胀胀系系数数小小， ，导导热热系系数数大大。 。可可以以耐耐急急冷冷急急热热， ，即即使使从从 3000的的高高温温突突然然降降到到室室温温也也不不会会炸炸裂裂。 。防防原原子子辐辐射射， ，能能使使中中子子减减速速。 。导导电电性性能能好好(5-17m） ）。 。轴轴向向抗抗剪剪切切模模量量较较低低， ，断断裂裂延延伸伸率率小小， ，耐耐冲冲击击差差， ，并并且且后后加加工工较较为为困困难难。 。2 国国内内外外发发展展状状况况2.1 国国外外发发展展状状况况目目前前， ，碳碳纤纤维维工工业业化化产产品品是是 PAN 基基和和沥沥青青基基两两种种， ，日日本本是是生生产产高高性性能能碳碳纤纤维维的的大大国国， ，而而美美国国是是消消费费高高性性能能碳碳纤纤维维的的大大国国。 。1959 年年日日本本大大阪阪工工业业研研究究所所进进藤藤博博士士用用美美国国 PAN 奥奥纶纶为为原原料料研研究究开开发发 PAN 基基碳碳纤纤维维， ，日日本本群群马马大大学学大大谷谷教教授授在在 1963 年年利利用用煤煤焦焦、 、石石油油炼炼制制的的副副产产品品沥沥青青研研究究开开发发成成功功沥沥青青基基碳碳纤纤维维。 。1965-1967 年年美美国国的的 UCC 公公司司曾曾以以粘粘胶胶纤纤维维为为原原料料研研究究开开发发了了粘粘胶胶纤纤维维基基碳碳纤纤维维 但但未未推推广广。 。碳碳纤纤维维的的生生产产始始于于 20 世世纪纪 60 年年代代末末 70 年年代代初初， ，当当时时以以粘粘胶胶纤纤维维为为原原料料， ，经经预预氧氧化化、 、碳碳化化、 、石石墨墨化化制制成成碳碳纤纤维维， ，主主要要在在火火箭箭喷喷嘴嘴防防止止热热气气流流传传导导使使用用。 。1971-1983 年年， ，日日木木东东丽丽公公司司、 、东东邦邦人人造造丝丝公公司司和和三三菱菱人人造造丝丝公公司司分分别别利利用用本本国国的的研研究究成成果果建建厂厂， ，进进行行了了碳碳纤纤维维的的工工业业化化生生产产， ，其其后后又又各各自自与与美美国国、 、德德国国和和英英国国合合作作， ，建建立立子子公公司司生生产产碳碳纤纤维维。 。日日本本碳碳纤纤维维主主要要用用于于体体育育器器具具如如高高尔尔夫夫球球杆杆、 、钓钓鱼鱼竿竿、 、网网球球拍拍框框， ，欧欧美美则则用用于于航航空空和和航航天天工工业业。 。1980 年年前前， ，波波音音公公司司将将碳碳纤纤维维用用于于 757 飞飞机机作作部部件件， ，1985-1990年年欧欧美美在在航航空空、 、航航天天业业碳碳纤纤维维用用量量不不多多， ，但但对对其其复复合合材材料料产产品品性性能能的的提提高高和和加加工工技技术术都都进进行行了了深深入入的的研研究究。 。1995 年年后后波波音音公公司司民民航航客客机机 767和和 777 的的机机体体、 、机机翼翼、 、翼翼尾尾等等都都应应用用了了碳碳纤纤维维， ，另另外外在在航航天天通通信信卫卫星星上上也也开开始始应应用用。 。在在 1970 年年代代末末， ，英英国国 Courtaulds 公公司司进进行行大大丝丝束束碳碳纤纤维维的的研研究究， ，1985 年年开开发发出出了了 48 K 以以上上大大丝丝束束碳碳纤纤维维， ，其其性性能能可可达达到到 T300 的的水水平平， ，但但原原丝丝价价格格仅仅为为 6K 小小丝丝束束碳碳纤纤维维的的 12， ，大大幅幅度度降降低低了了通通用用级级碳碳纤纤维维的的成成本本， ，使使其其进进入入一一般般工工业业领领域域成成为为可可能能。 。进进入入 1990 年年代代， ，大大丝丝束束碳碳纤纤维维的的发发展展获获得得重重大大突突破破， ，大大丝丝束束碳碳纤纤维维的的抗抗拉拉强强度度己己为为 3200-3800 MPa,欧欧美美等等国国在在建建筑筑业业等等多多个个领领域域取取代代小小丝丝束束碳碳纤纤维维取取得得成成功功， ，又又由由于于大大丝丝束束碳碳纤纤维维的的价价格格也也比比一一般般小小丝丝束束碳碳纤纤维维低低得得多多， ，因因此此近近年年来来， ，大大丝丝束束碳碳纤纤维维发发展展迅迅速速， ，年年产产能能力力从从 1996 年年的的 200 t 增增长长到到 2003 年年的的 8 500 t,美美国国 Akzo, Zoltek 和和 Aldila 这这三三大大公公司司的的产产量量己己占占全全球球大大丝丝束束碳碳纤纤维维总总量量的的 70以以上上。 。大大丝丝束束碳碳纤纤维维的的主主要要生生产产国国是是美美国国、 、德德国国与与日日本本， ，产产能能情情况况如如表表 2 所所示示， ，其其产产量量大大约约是是小小丝丝束束碳碳纤纤维维产产量量的的 33左左右右。 。表表 1 各各种种材材质质碳碳纤纤维维的的主主要要性性能能种种类类抗抗拉拉强强度度Mpa抗抗拉拉模模量量Gpa密密度度(g.cm-3)断断后后延延伸伸率率 %PAN 碳碳纤纤维维大大于于 3500大大于于 2301.76-1.940.6-1.2沥沥青青碳碳纤纤维维16003791.71.0黏黏胶胶碳碳纤纤维维2100-2800414-5522.00.7表表 2 世世界界大大丝丝束束碳碳纤纤维维产产能能情情况况 国国别别生生产产商商产产能能美美国国Akzo-Fortafil3500美美国国Zoltek1800美美国国 Aldila1000德德国国SGL1900日日本本Toray 300总总计计 8500表表 3 2002-2004 世世界界各各大大 PAN 基基碳碳纤纤维维公公司司产产能能国国别别 生生产产公公司司生生产产能能力力日日本本 Toray9100(小小丝丝束束)日日本本Toho5600(小小丝丝束束)日日本本Mitsubishi Rayou4700(小小丝丝束束)英英国国Hexcel2000(小小丝丝束束)美美国国Amoco1900(小小丝丝束束)中中国国台台湾湾台台湾湾工工程程塑塑料料公公司司 1750(小小丝丝束束)美美国国Akzo-Fortafil3500 (大大丝丝束束)美美国国Zoltek1800(大大丝丝束束)美美国国Aldila1000(大大丝丝束束)德德国国 SGL1900(大大丝丝束束)目目前前， ，日日本本东东丽丽公公司司生生产产的的碳碳纤纤维维无无论论品品质质还还是是产产量量都都具具世世界界前前列列， ，可可代代表表当当今今世世界界水水平平。 。该该公公司司于于 1962 年年在在进进藤藤博博士士发发明明的的用用 PAN 原原丝丝生生产产碳碳纤纤维维基基础础上上， ，开开始始研研制制 PAN 碳碳纤纤维维。 。最最初初由由于于采采用用民民用用腈腈纶纶为为原原料料生生产产不不出出合合格格的的碳碳纤纤维维， ，遂遂开开始始研研制制适适合合于于生生产产高高性性能能碳碳纤纤维维的的特特种种 PAN 原原丝丝。 。1967 年年该该公公司司用用研研制制出出的的特特种种 PAN 原原丝丝生生产产碳碳纤纤维维获获得得成成功功， ，打打通通了了生生产产合合格格碳碳纤纤维维的的工工艺艺流流程程。 。1971 年年 8 月月在在滋滋贺贺工工厂厂建建成成了了 12 t/a 的的碳碳纤纤维维试试验验线线； ；1973 年年 3 月月又又建建成成了了 60t/a 的的碳碳纤纤维维线线： ：1974 年年 10 月月， ，其其生生产产能能力力己己达达到到 156 t/a