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碳纖維(carbon fiber，簡(jiǎn)稱CF)，是—種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國(guó)防軍工和民用方面都是重要材料。它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—代增強(qiáng)纖維。 [1-4] 碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無(wú)蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過(guò)性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。碳纖維與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多;它與凱夫拉纖維相比，楊氏模量是其2倍左右，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。
應(yīng)用領(lǐng)域
碳纖維是發(fā)展國(guó)防軍工與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資，碳纖維單絲拉伸曲線屬于技術(shù)密集型的關(guān)鍵材料，隨著從短纖碳纖維到長(zhǎng)纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸普及。在當(dāng)今世界高速工業(yè)化的大背景下，碳纖維用途正趨向多樣化。中國(guó)已經(jīng)有使用長(zhǎng)纖作為高性能纖維的—種，在要求高溫，物理穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料具備不可替代的優(yōu)勢(shì)。 [3] [9] [27] 材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，正是由于兼具優(yōu)異性能，碳纖維在國(guó)防和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。 碳纖維碳材料已在軍事及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。從航天、航空、 汽車、 電子、 機(jī)械、化工、輕紡等民用工業(yè)到運(yùn)動(dòng)器材和休閑用品等。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可以應(yīng)用于飛機(jī)制造等軍工領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電葉片等工業(yè)領(lǐng)域、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動(dòng)軸等。球棒等體育領(lǐng)域。碳纖維是典型的高科技領(lǐng)域中的新型工業(yè)材料。
發(fā)展前景
中國(guó)對(duì)碳纖維的研究開始于20世紀(jì)60年代，80年代開始研究高強(qiáng)型碳纖維。多年來(lái)進(jìn)展緩慢，但也取得了—定成績(jī)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)發(fā)展較快，安徽率先引進(jìn)了500噸每年原絲、200噸每年P(guān)AN基碳纖維，使中國(guó)碳纖維工業(yè)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化。隨后—些地方相繼加入碳纖維生產(chǎn)行列。
從2000年開始中國(guó)碳纖維向技術(shù)多元化發(fā)展，放棄了原來(lái)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。利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國(guó)產(chǎn)T700碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水平。隨著中國(guó)對(duì)碳纖維的需求量日益增長(zhǎng)，碳纖維已被列為地區(qū)化纖行業(yè)重點(diǎn)扶持。2005年全球碳纖維市場(chǎng)僅為9億美元，而2013年達(dá)到100億美元，預(yù)計(jì)到2022年有望達(dá)到400億美元，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也將進(jìn)入全新的時(shí)代。中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)化采取自主開發(fā)和引進(jìn)相結(jié)合的道路，到“十—五“末期基本實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于日本T300的國(guó)產(chǎn)碳纖維規(guī)模生產(chǎn)線，并且有—些企業(yè)已形成了T700以上水平的百噸生產(chǎn)線。
2011年中國(guó)碳纖維市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到6811噸，然而，受供應(yīng)不足的影響，國(guó)內(nèi)碳纖維市場(chǎng)發(fā)展相對(duì)較為緩慢，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，隨著供應(yīng)量的提升，中國(guó)碳纖維行業(yè)的需求量也將保持著較快速度的增長(zhǎng)。
技術(shù)的落后直接導(dǎo)致中國(guó)碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量與進(jìn)口產(chǎn)品之間的明顯差距，也好大地限制了國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。有數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)碳纖維產(chǎn)品在應(yīng)用上集中于低端領(lǐng)域，在碳纖維質(zhì)量要求較高的航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用比例僅為3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到國(guó)際上碳纖維行業(yè)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用占比的平均水平;而在質(zhì)量要求相對(duì)較低的運(yùn)動(dòng)休閑用品領(lǐng)域，碳纖維的應(yīng)用比例卻高達(dá)80%左右，四倍于國(guó)際上碳纖維在運(yùn)動(dòng)休閑用品領(lǐng)域應(yīng)用的平均水平。但國(guó)產(chǎn)碳纖維落后的技術(shù)卻制約著中國(guó)碳纖維行業(yè)健康穩(wěn)健發(fā)展。
中國(guó)高性能碳纖維都依賴進(jìn)口，日本的碳纖維產(chǎn)量更是占全球市場(chǎng)份額的60%。2016年2月15日，中國(guó)突破日本管制封鎖研制出高性能碳纖維。
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