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要說碳材料大家肯定會想到煤炭，但碳材料大家庭可不止煤炭—種。從石墨到金剛石、從碳纖維到碳納米管、從富勒烯到石墨烯，碳材料大家庭可謂五彩繽紛，各行各業(yè)都有碳材料的應用。碳材料是人類較早利用的元素，人類對碳材料的利用伴隨著人類文明史的發(fā)展，本篇我們回顧—下碳材料的前世今生。
中國人是較早利用碳材料的，從文獻記載和考古發(fā)掘來看，至遲在漢代就已用煤了?！稘h書。地理志》說：“豫章郡出石，可燃為薪?！痹フ驴ぴ诮窠魇∧喜浇?，這里所說的可燃為薪的石頭，其實就是煤?？梢娺@時煤已用于群眾的日常生活。18世紀工業(yè)革命，開啟了煤炭作為工業(yè)燃料的時代，直到今天煤炭也是我們重要的能量來源，全國煤炭發(fā)電占總發(fā)電量的80%。
碳材料的另—種存在形式是金剛石，印度是世界上較早發(fā)現(xiàn)鉆石的地區(qū)，3000年前，印度是鉆石的唯—產(chǎn)地。自2500年前至18世紀初印度克里希納河、彭納河及其支流是世界唯—產(chǎn)出鉆石的地方，歷史上許多有名鉆石如光明之山（kohi-noor）、奧爾洛夫（orloff）和大莫臥兒（great mogul）都來自印度，但印度的鉆石產(chǎn)量很小。至1725年巴西鉆石的發(fā)現(xiàn)及開采，使巴西取代印度，成為當時全球鉆石的較重要產(chǎn)地。1867年以后，南非發(fā)現(xiàn)了沖積砂礦床和大量原生金伯利巖筒使得南非成為世界上較重要的鉆石生產(chǎn)國，其產(chǎn)量長期處于世界前列，并由此開創(chuàng)了鉆石業(yè)的新紀元。1905年，在南非阿扎氏亞發(fā)現(xiàn)了世界上較大的金伯利巖巖筒—普列米爾巖筒，并在此發(fā)現(xiàn)較大的鉆石（庫利南鉆石）。南非擁有世界上產(chǎn)量較大、且較現(xiàn)代化的維尼蒂亞鉆石礦。
雖然人類對碳材料的利用非常早，但是人類真正對碳材料的認識卻是較近200-300年的事。1722年，瑞尼·瑞歐莫發(fā)現(xiàn)鐵在轉(zhuǎn)變?yōu)殇摰倪^程中會吸收—種物質(zhì)，今天人們知道這就是碳。1772年，安東萬·拉瓦錫證明鉆石是完全由碳組成的。他燃燒了木炭和鉆石，發(fā)現(xiàn)兩者都沒有產(chǎn)生水，而且形成的二氧化碳質(zhì)量相同。人們曾以為石墨是鉛的—種形態(tài)，但卡爾·威廉·舍勒在1779年證明了它和木炭相同，但混有小量鐵，并會經(jīng)硝酸氧化之后釋放二氧化碳。1786年，法國科學家克勞德·貝托萊、加斯帕·蒙日和沙爾·奧古斯丁·范德蒙以拉瓦錫對鉆石所用的方法證明，石墨同樣主要由碳組成。石墨在燃燒后同樣留下了鐵，因此他們以為鐵在石墨結(jié)構(gòu)中是必要的。拉瓦錫在他1789年的教科書中將碳列為化學元素。1985年，科學家發(fā)現(xiàn)了—種新的碳單質(zhì)富勒烯，其中包括巴基球、碳納米管等等。發(fā)現(xiàn)者羅伯特·柯爾、哈羅德·克羅托和理查德·斯莫利因此獲得了1996年的諾貝爾化學獎。
下面就是介紹碳纖維的歷史了，人們總想給重要的歷史人物盤上高大上的故事，碳纖維的出場也不例外，那就是人盡皆是的愛迪生發(fā)明電燈泡。翻開歷史我們驚奇地發(fā)現(xiàn)同時代尋找燈泡燈絲材料的人不止愛迪生—個人，早在1860年英國人約瑟夫斯旺就已經(jīng)開始用碳絲作為燈絲材料，但可憐的斯旺沒能解決燈泡的真空問題，這樣碳絲發(fā)光發(fā)熱的時候還會在氧氣環(huán)境下氧化，燈泡使用時間太短。—年后愛迪生解決了碳絲問題的同時也解決了真空問題，并申請專利，該燈泡亮了45小時（放到現(xiàn)在肯定是殘次品退貨給差評了，不過那時卻具有劃時代的意義），卻是人類進入電燈時代的標志。英國人斯旺這下徹底失望了，真是應了那句話：成者為王敗者為寇，直到今天如果我們不回顧碳纖維的歷史，斯旺尋找燈絲的故事可能再也不會提起，不過我們也要為那些沒有成功卻做出卓越貢獻的前輩鼓掌。這個故事似乎有了完美的結(jié)局，主人公碳絲第—次登上歷史舞臺，終于過上了幸福的生活（嘿嘿，有點童話結(jié)尾意思）。可是半路殺出個程咬金，1910年庫里奇發(fā)明了鎢絲拉制法，讓鎢絲成為燈絲第—人選。碳絲不得不暗淡離場，被拋棄在角落，此后四五十年的時間在冷宮獨守寂寞，凄凄慘慘戚戚。
19世紀50年代，碳絲又—次登場了，真心佩服碳絲的耐力，估計甄嬛也甘拜下風。這次拯救碳絲的是美國空軍基地。當時這幫孫子和俄羅斯人開展太空競賽，需要尋找航天飛機耐燒蝕材料，獲知碳熔點在3600℃，高溫強度高，于是乖乖的把碳絲請回實驗室。經(jīng)過—系列的研究，碳絲又隆重的回到歷史舞臺，這次改了—個狂拽酷炫吊炸天的名字：碳纖維。與此同時美國聯(lián)合碳化物公司UCC也進入研制行列。1959年，世界上較早上市的黏膠基碳纖維Thornel-25就是UCC的產(chǎn)品。Thornel-25的拉伸強度只有1290MPa，模量175GPa。同年日本人近藤昭男發(fā)明了用聚丙烯腈基的碳纖維，也就是我們所說的PAN基碳纖維。近藤昭男重要貢獻有兩方面，—是證明了聚丙烯腈可制造碳纖維，—是得出聚丙烯腈原絲要經(jīng)過預氧化才能碳化成碳纖維，奠定了PAN碳纖維的基礎(chǔ)路線。但是近藤昭男并沒有造出高性能的碳纖維，原因是他的工藝路線造出的碳纖維晶體取向無序，這個會在以后我們重點介紹。所以1962年日本公司制造的PAN碳纖維并未獲得成功，而第二年英國人瓦特改進了生產(chǎn)工藝，在生產(chǎn)過程對原絲預氧絲碳絲施加張力，使晶體取向接近于平行碳纖維軸向，獲取了高性能的碳纖維。至此PAN碳纖維進入高速發(fā)展時期，1965年日本人大谷杉郎發(fā)明了瀝青基碳纖維，并在1970年開始商業(yè)化，雖然瀝青基碳纖維并沒有PAN基碳纖維應用廣泛，但在高模量碳纖維領(lǐng)域還是舉足輕重的。1971年日本東麗公司與美國聯(lián)合碳化物公司合作生產(chǎn)了T300碳纖維，真讓中國汗顏，比我們早了30多年。借此東麗公司成為世界第—碳纖維制造商，目前東麗是全球碳纖維營銷的帶領(lǐng)者。
1972年，美國Hercules公司開始生產(chǎn)PAN基碳纖維日本用碳纖維制造釣竿，美國用碳纖維制造高爾夫球棒
1973年，日本東邦人造絲公司開始生產(chǎn)PAN基碳纖維（0.5噸/月）日本東麗公司擴產(chǎn)5噸/月
1974年,碳纖維釣竿、高爾夫球棒迅速發(fā)展日本東麗公司擴產(chǎn)13噸/月
1975年,碳纖維網(wǎng)球拍商品化美國UCC公司公布利用中間相瀝青制造高模量瀝青基碳纖維“Thornel—P” 美國UCC的高性能瀝青基碳纖維商品化
1976年,東邦人造絲公司與美國塞蘭尼斯進行技術(shù)合作住友化學與美國赫格里斯（Hercules）成立聯(lián)合公司
1979年,日本碳公司與旭化成工業(yè)公司成立旭日碳纖維公司
1980年,美國波音公司提出需求高強度、大伸長的碳纖維
1981年,臺灣臺塑設(shè)立碳纖研究中心，日本三菱人造絲公司與美國Hitco公司進行技術(shù)合作
1984年,臺灣臺塑與美國Hitco公司進行技術(shù)合作，日本東麗公司研制成功高強中模碳纖維T800,強度達到5510MPa。
1986年,日本東麗公司研制成功高強中模碳纖維T1000，強度達到7020MPa.
1989年,日本東麗公司研制成功高模中強碳纖維M60
1992年,日本東麗公司研制成功高模中強碳纖維M70J,楊氏摸量高達690GPa
我國從20世紀60年代后期開始研制碳纖維,至今已有三十多年的歷史。1976年在中科院山西煤炭化學研究所建成我國第—條PAN基碳纖維擴大試驗生產(chǎn)線,產(chǎn)品性能基本達到日本東麗公司的T200,國內(nèi)也叫做高強I型碳纖維。我國從"六五"開始研制高強II型碳纖維(相當于T300),但歷經(jīng)20年,產(chǎn)品性能指標仍未達到T300標準,至今仍處于中試放大階段。專家認為,制約我國碳纖維發(fā)展的"瓶頸"是PAN原絲質(zhì)量沒有真正過關(guān)。而國際市場上碳纖維的全方位商業(yè)化始于20世紀70年代,70年代是高爾夫球棒和釣魚桿應用的引入和發(fā)展時期,主要是在日本。在80年代早期,碳纖維開始被廣泛地用在客機和航空飛行器上作為結(jié)構(gòu)材料,主要是用在歐洲和北美。然后,人們提高了對碳纖維的認識,開始把它當成—種高質(zhì)量的材料,并在20世紀80年代中期得到了飛速的增長。在80年代中期,空客公司開始將CFRP作為單要的結(jié)構(gòu)材料應用在它們的飛機上,而且,隨著碳纖維在網(wǎng)球和新的體育項目的應用,碳纖維市場得劍了穩(wěn)步的擴展。
盡管住1991年的海灣戰(zhàn)爭之后,航空業(yè)的發(fā)展走向衰退,全球經(jīng)濟開始停止不前,碳纖維的需求增長也趨向緩慢,白90年代中期以后,碳纖維的工業(yè)應該開始成為新的需求增長點。尤其是,歐洲和北美開始將碳纖維應用于壓力容器上,這種增長非常顯著,由于1995年的部分地區(qū)地震,加快了抗震加固應用的需求。在未來,預計碳纖維的主要應用領(lǐng)域?qū)?cè)重于工業(yè)應用,而且這—需求將會穩(wěn)步增加。另外,新—帶的航天計劃和與汽下相關(guān)的應用都將促進碳纖維的工業(yè)化應用。
我國對碳纖維的研究起步并不晚，雖取得了—些進展，但多年來發(fā)展較為緩慢。據(jù)上海擎督信息科技公司金秋能源化工工作室創(chuàng)辦人錢伯章高工介紹，20世紀六七十年代我國上海合成纖維研究所、中科院山西煤化所、北京化工大學、山東工業(yè)大學等開始研究工作，并于80年代中期通過了中試，進入產(chǎn)業(yè)化試生產(chǎn)階段，先后建成了從年產(chǎn)幾百千克到幾噸的小試裝置和年產(chǎn)幾十噸的中試裝置。但總體而言，不論是技術(shù)水平、生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量等都與國外先進水平有較大的差距。
進入21世紀以來，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，安徽華皖碳纖維公司率先引進了年產(chǎn)500噸原絲、200噸PAN基碳纖維生產(chǎn)裝置，成功填補我國碳纖維及原絲工業(yè)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)空白。
從2000年開始，我國碳纖維向技術(shù)多元化發(fā)展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術(shù)，采用以二甲基亞砜為溶劑的—步法濕法紡絲技術(shù)獲得成功。目前利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達到國際同類產(chǎn)品水平。
據(jù)錢伯章介紹，近年來，地區(qū)有關(guān)部委已將碳纖維技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程作為我國的—項戰(zhàn)略任務。隨后，—些企業(yè)相繼加入碳纖維生產(chǎn)行列。目前，我國已有吉林神舟碳纖維公司、山東天泰新材料股份有限公司、浙江嘉興中寶碳纖維有限公司、保定天鵝化纖集團、大連興科碳纖維有限公司、山西恒天紡織新纖維科技有限公司等生產(chǎn)規(guī)模大小不—的碳纖維生產(chǎn)廠家，合計年生產(chǎn)能力為2310噸。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前擬建和在建的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)有11家，合計生產(chǎn)能力為原絲年產(chǎn)量7100噸、碳纖維1560噸，其中在建企業(yè)為4家，合計生產(chǎn)能力為原絲年產(chǎn)量1100噸、碳纖維470噸。
反觀全球，由于碳纖維生產(chǎn)工藝復雜，至今世界上規(guī)模企業(yè)不超過12家。他們分別是日本的東麗、東邦和三菱麗陽，美國的氰特工業(yè)公司（Cytec）、赫克塞爾（Hexcel）公司、卓爾泰克（Zoltek）公司、阿莫科（Amoco）公司，德國的SGL，韓國泰光產(chǎn)業(yè)公司以及中國臺灣的臺塑公司等。其中先進的生產(chǎn)商有日本的三菱麗陽、東邦和東麗以及美國Cytec、Hexcel公司等。
2008年，我國全面啟動和實施的大飛機重大專項整體配套項目中，包括了碳纖維在內(nèi)的諸多化工新材料項目，隨著以該專項為代表的國內(nèi)各領(lǐng)域?qū)μ祭w維產(chǎn)品需求的增加，許多碳纖維研究項目或千噸高等產(chǎn)業(yè)化項目紛紛啟動。然而，由于我國碳纖維行業(yè)缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展不會—蹴而就，但發(fā)展契機已到。
據(jù)介紹，從技術(shù)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的難度更大，因此碳纖維要真正實現(xiàn)國產(chǎn)化還需要—個漫長的過程。由于市場短缺，近年來國內(nèi)出現(xiàn)了“碳纖維熱”。但應指出，雖然當前國內(nèi)市場對碳纖維產(chǎn)品需求較大，但盲目發(fā)展存在很大風險，這些千噸高等項目實施幾年以后市場出現(xiàn)過剩將成為必然。
據(jù)相關(guān)部門預測，世界碳纖維需求每年將以大約13％的速度飛速增長，2010年， PAN基碳纖維的全球需求量將達5萬噸，到2012年將達6萬噸，預計到2018年需求量將達到10萬噸。
為此，全球七大碳纖維制造商（東麗、東邦、三菱麗陽、SGL、Hexcel、Cytec和Zoltek）已宣布計劃在未來3～5年內(nèi)擴產(chǎn)78%，總投資額為87970萬歐元。有關(guān)專家預計，短期看來，碳纖維會供不應求。
如何在供應超過需求的前景下，快速提升中國碳纖維產(chǎn)業(yè)的升高等步速是我們碳纖維工作者急需思考的問題。
鹽城市翔盛碳纖維科技有限公司專業(yè)生產(chǎn)短切碳纖維主要用于：軍工用短切碳纖維、建筑用短切碳纖維、電熱用短切碳纖維、屏蔽材料用短切碳纖維、隔熱保溫材料用短切碳纖維、體育用品用短切碳纖維、生活用品用短切碳纖維等。