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碳纤维介绍

碳纤维是新一代的高性能特种纤维,既有碳材料“硬”的固有特征,又兼备纺织纤维“柔”的可加工性,被誉为新材料之王。与传统的玻璃纤维相比,碳纤维的强度可达高性能玻璃纤维的2倍,模量超过其3倍;与芳纶纤维相比,碳纤维不仅强度达到凯夫拉KF-49的1.5倍,模量达到其2倍以上,而且耐蚀性更是出类拔萃。与钢、铝等金属材料相比,碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、线膨胀系数小等诸多优异性能:碳纤维的密度仅为钢的四分之一,强度达到特种钢的10倍,模量是钢的7倍,比强度、比模量均为钢的数十倍。材料的比强度愈高,则构件自重愈小,强度愈大;比模量愈高,则构件的刚度愈大。因此,碳纤维及其复合材料和制品在航空航天、国防军工、高端民用工业、专业体育用品等许多工程领域都有广阔的应用前景。

碳纤维一般采用聚丙烯腈纤维(PAN原丝)、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维等为原料,在200~300℃的空气中进行预氧化,然后在1000℃以上高温的惰性气体(如氮气)保护环境中完成碳化,最后加热到1500~3000℃制得碳纤维产品。目前,产量最大、用途最广的是聚丙烯腈基碳纤维,其生产过程一般可分为原丝生产(聚合过程、纺丝过程)和碳丝生产(预氧化过程、碳化过程、后处理过程)两大部分。

2001年以来世界碳纤维市场一直保持持续、快速增长:2001年全球碳纤维消费量不足2万吨;2012年世界碳纤维总产能约11万吨,总产量约5.5万吨;预计到2015年全球总产能可达到约15万吨,2020年将超过18~20万吨,年增长率为15~20%。根据碳纤维的消费领域划分,2012年全球碳纤维的工业领域应用约占60%,航空航天和国防军工约21%,体育休闲约19%。预计到2020年,碳纤维在工业领域的应用将达到整个市场的近80%,航空航天和体育休闲将各占10%左右。

目前,碳纤维生产厂家主要有日本的东丽、东邦、三菱丽阳,美国的卓尔泰克(已被东丽收购)、赫氏(也称赫克塞尔)、氰特(也称苏泰克),欧洲的西格里、陶氏-阿克萨,以及我国台湾地区的台塑集团等几大公司。其中,日本作为世界碳纤维大国,其碳纤维产能约占世界总产能的三分之二左右。

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