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碳纤维材料对生活的影响

碳纤维简介

碳纤维（carbonfiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模

量纤维的新型纤维材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构，在

沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维具有强度高、重量轻等特点，是一种力

学性能优异且具有诸多特殊功能的新材料。由于碳纤维及其复合材料优异的综合

性能及高附加值，被人们称作是二十一世纪的“黑色黄金”，被列入国家“十三

五”规划，作为国家重点发展的战略新兴产业。

二十世纪四、五十年代，美国人首次通过牵引人造丝的方法，制备得到了碳

纤维符合材料(CFRP)。此后美国人在该技术方面领跑世界近20年。1969年，日

本东丽公司研制成功高比强度和高比模量的碳纤维。目前，以日本东丽、东邦和

三菱人造丝三家日本公司的碳纤维材料产量占据世界70%以上的高性能碳纤维

生产份额。

我国的碳纤维产业发展和国外存在着较大差距，无论是碳纤维的生产和下游

的应用。以碳纤维为例，2017年，全球碳纤维理论产能为147,100吨，而中国为

2,6000吨。差距已经较大，但在实际产量上，差距就更明显。2016年全球碳纤维

产量在84000吨左右，约为产能的60%，但中国的实际产量7400吨（有说5400），

不到产能的30%（中国碳纤维2017年需求约24800吨，自给率30%）。同时国外

如东丽可以批量生产T300、T700、T800、T1000、M40、M55、M60等级别的碳

纤维，而国内T300、T700可以满足一定的需求，其他级别产品在市场上还没形

成规模化供应。

碳纤维的发展

目前的碳纤维制备技术已经能制备出比强度比钢高十几倍，密度是一般金属

的0.5倍左右，疲劳极限是拉伸强度的70%~80%，在400摄氏度的高温下强度

和弹性模量无变化，易于大面积整体成型。

由于国外碳纤维材料发展较早，除了应用于宇航、航空之外，在汽车、船舶、

建筑、车辆、化工设备乃至文娱体育用品都得到了充分的应用。我国的碳纤维材

料在20世纪90年代开始发展，起步虽然较晚，但到目前中国已在碳纤维行业取

得了不小的进展，碳纤维材料广泛应用于航天航空，军事工业及民用产品等。

碳纤维及其复合材料的应用

碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树

脂复合材料,其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在刚度、

重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维

复合材料都颇具优势。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料,由于其比重小、

刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。最神奇的应用是采用长碳纤维

制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实,

太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上,也可以用这种“纳

米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星

和太空探测器就可以大大降低发射成本。总结碳纤维复合材料的现实应用有以下

几个方面:

(1)宇航工业用作导弹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。

(2)航空工业用作主承力结构材料,如主翼、尾翼和机体;次承力构件,如方向

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。

(3)交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件;船舶和海洋工程

用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇巡逻艇,以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及

划水浆;海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。

(4)运动器材用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球

杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。

(5)土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水

轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震

救灾用补强材料。

(6)其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐;催化剂，吸附剂和密封制品等。

生体和医疗器材如人造