一、碳纤维的性能及分类
　　1．概述
　　随着工程技术和材料科学的发展，对材料性能的要求越来越高。先进的复合材料由于性能优良，已成为一种极其重要的工程材料。有关先进复合材料的研究、
发展和应用一直是高科技材料技术的重要内容之一，而碳纤维在此领域占有举足轻重的地位，主要原因：它是一种树脂基复合材料，以碳纤维为增强材料，合成树脂为基体材料，通过各种成型工艺复合而成的一种新型结构材料；它是一种强度比钢大、密度比铝合金还低，且还有许多宝贵的电学、热学和力学性能；在现代航天航空、尖端技术发展中，已成为一种不可缺少的新型材料。因此，许多发达国家投入大量人力、物力、财力进行研制开发，完善和提高，使其质量不断提高，产品与日俱增，价格日趋下降，应用领域日益拓宽。我国碳纤维产业尚在起步阶段，至今还没有一个年产50吨的碳纤维厂，大多数还处于中试放大阶段，至今未能进行工业化生产，与国外先进水平存在较大差距。
　　2．主要性能
　　碳纤维（CF）的主要性能最为突出的是强度高、模量高、密度低。此外，还有耐高温可在2000度使用，3000度非氧化气氛中不熔不软；耐疲劳、热膨胀系数小、摩擦系小、热传导性好；耐腐蚀能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介质的浸蚀；与其它材料相容性高、与生物的相容性好；又兼备纺织纤维的柔软可加工性，易于复合，设计自由度大，可进行多种设计，以满足不同产品的性能与要求。
　　3．分类
　　碳纤维一般以力学性能和制造原材料来进行分类，按力学性能一般可分为六类：通用型GP碳纤维、高性线型HP碳纤维、高强度HS碳纤维、高模量HM碳纤维、超高强度UHS碳纤维和超高模量UHM碳纤维；按原材料可分为：聚丙烯睛PAN碳纤维、沥青碳纤维和粘胶(纤维素)碳纤维。大丝束和小丝束碳纤维之间并无严格的界限和定义。一般把lK、3K、6K、12K和24K碳纤维叫做小丝束，48K-480K叫做大丝束。
　　二、碳纤维的发展概况
　　1．研究发展历程
　　目前碳纤维工业化产品是聚丙烯腈(PAN)基和沥青基两种，日本是生产高性能碳纤维的大国，美国是消费碳纤维的大国。1961年日本大阪工业研究所进藤博
士用美国聚丙烯腈奥纶为原料研究开发PAN基碳纤维，目本群马大学大谷教授在1963年利用煤焦、石油炼制的副产品沥青研究开发成功沥青基碳纤维。1965年-1967年美国的UCC公司曾以粘胶纤维为原料研究开发了粘胶纤维基碳纤维，但未推广。碳纤维的生产始于60年代末70年代初，当时以粘皎纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化制成碳纤维，主要在火箭喷嘴防止热气流传导使用。
　　1971年至1983年日本东丽公司、东邦人造丝公司、三菱人造丝公司利用本国的研究成果建厂，进行了碳纤维的工业化生产，其后又与美国、德国、英国合作
建立了子公司生产碳纤维。日本碳纤维则用于体育器具如高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍框，欧美则用于航空、航天工业。
　　1980年前波音公司将碳纤维用于757飞机作部件，1985年-1990年欧美航空、航天业碳纤维用量不多，但对其复合材料产品性能的提高和加工技术都进行了深入的研究。1995年后波音公司民航客机767、777的机体机翼、翼尾都应用了碳纤维，另外在航天通信卫星上也开始应用。
　　在70代末，英国Courtaulds公司进行大丝束碳纤维的研究，1985年开发出了48K以上大丝束碳纤维，其性能可达到T300的水平，但原丝价格仅为6K小丝柬碳纤维的一半，大幅度降低了通用级碳纤维的成本，为其进入一般工业领域成为可能。进入90年代，大丝束碳纤维的发展获得重大突破，大丝束碳纤维的抗拉强度已为3200Mpa-3800Mpa，欧美等国在建筑业等多个领域取代小丝束碳纤维取得成功，又由于大丝束碳纤维的价格也比一般小丝束碳纤维低的多，因此近年来，大丝束碳纤维发展迅速，年生产能力从1996年的2300吨增长到2000年的8500吨。美国的AKZO、ZOLTWK和ALDILA这三大公司的产量已占全球大丝束碳纤维总量的73．3％。近年来，超高模量的沥青碳纤维长丝发展也很快，世界总产能已达950吨／年，美国Amoco公司产能为230吨／年、日本三菱化学公司和日本石墨纤维公司产能分别为600吨／年、120吨／年。
　　目前，日本东丽公司生产的碳纤维无论质量还是产量都居世界前列，可代表当今世界水平。该公司于1962年在进藤博士发明的用PAN原丝生产碳纤维基础上，开始研制PAN碳纤维。最初由于采用民用腈纶为原料生产不出合格的碳纤维，因而失去用户和市场，并开始研制适合于生产高性能碳纤维的特种PAN原丝。1967年该公司用研制出的特种PAN原丝生产碳纤维的研制并获得成功，打通了生产合格碳纤维的工艺流程。1971年8月在滋贺工厂建成了12t／a的碳纤维试验线；1973年3月又建成了60t／a的碳纤维线；1974年10月，其生产能力已达到了156t／a。目前该公司的生产能力已达7300t／a，占世界高性能碳纤维产量的35．2％。该公司于1971年刚生产时产品代号T300的抗拉强度为3．0Gpa左右，目前的1300抗拉强度已提高到3．5Gpa，已成为世界公认通用级的碳纤维。至1985年该公司研制成功了T1000，其抗拉强度为7．02Gpa，比T300多了一倍多，该公司的目标为8.05Gpa，目前实验室的数据已达到。T1000是目前世界上性能最好的碳纤维。
　　2.我国开发状况
　　我国七十年代就开始研究开发，1975年碳纤维的研究开发列入了国家攻关项目，国家的重视、市场的潜力使得我国碳纤维的开发研究进入了快速发展时期。
　　　　“十五”期间，国家已批准安徽建立500t/aPNA原丝和200t／a碳纤维生产线，总投资过亿元。PAN原丝采用亚砜一步法，技术由国外引进，产品以12K的T300级碳纤维为主。华皖集团二期建设规模将使碳纤维产量翻一番达到400t／a，下游产品的开发也列入了发展规划。浙江中宝碳纤维责任有限公司在浙江嘉兴拟建400t／a大丝柬碳纤维生产线，该项目已获国家批准，并展开了前期论证工作。同时还成立了浙江省碳纤维工程技术研究中心。上海石化公司最近召开了碳纤维原丝发展研讨会，准备投资亿元，采用NASCN一步法生产PAN基原丝，真正形成工业规模。上海合纤所采用亚砜两步法研制和小批量生产PAN基原丝以及碳纤维。上海星楼实业有限公司也制定了一套碳纤维产业发展计划，拟建400t／a大丝束碳纤维生产线。中科院山西煤化所研制碳纤维已有30多年的历史，在70年代
中期，建成我国第一条纤维中试生产线；在90年代末期，又建成我国第一条吨级粘胶基碳纤维生产线。目前该研究所与扬州聚酯责任有限公司共建碳纤维联合实
验室。研制高性能PAN基碳纤维，并准备在扬放州建立产业化基地。山西榆次化纤厂是我国唯一用亚砜一步法生产PAN基原丝的厂家。
　　另外，山东已把碳纤维的开发列入全省十大高技术产品开发工程的首位项目。山东天泰碳纤维有限责任公司作为国家计委示范工程将建立400t／a生产线，碳纤维性能为T300级水平，产品以12K为主。计划400t／a投产后，再翻一番到800t／a。青岛化工学院高分子工程材料研究所，在青岛将建50t／a左右的碳纤维生产线，引起了国内同行的极大关注。北京化工大学与吉化公司将依靠自己的技术建立500t／a原丝和200t／a碳纤维生产线，采用亚砜一步法技术路线生产原丝。兰化集团化纤已有100t／a原丝线和预氧化生产装置，计划配套碳化装置生产碳纤维。原丝采用NASCN一步法。吉林碳素厂是我国小丝束碳纤维生产基地，已向用户提供50多吨小丝束碳纤维。目前该厂正在建立新的小丝束碳纤维生产线，扩大产量，以满足市场。
　　台塑集团在80年代从美国Hiteo公司引进百吨级碳纤维生产线，经消化吸收和配套后得到了迅速发展。1995年翻了一番，达到200t／a；1997年达到750t／a；1999年在1995年的基础上翻了三番多达到1750t／a；目前计划生产能力要达到4750t／a。台塑集团有2个碳纤维生产厂，一个在高雄市生产能力为750t／a；另一个在麦寮，总体规模为40~t／a，现已投产1000t／a。虽然台塑集团的产量增长较快，但碳纤维的质量并没有很大的提高。台塑集团所用的原料丙烯腈由台塑炼油厂提供，PAN基原丝采用的是DNF一步法工艺。
　　三、碳纤维的应用
　　1.在航天航空领域的应用
　　利用碳纤维的耐高温、轻而硬等力学特点，广泛应用于航天、航空、飞机飞船的结构材料。如飞机的一次构造材料：主翼、尾翼、机体，二次构造材料：副翼、方向舵、升降舵、内装材料、地板材、桁梁、刹车片等及直升飞机的叶片；火箭的排气锥体、发动机盖等；人造卫星结构体、太阳能电池板和天线、运载火箭和导弹壳体等。目前小型商务机和直升飞机的碳纤维复合材料用量已占70%-80%，军用飞机30%-40%，大型客机15%-20%。
　　2.在体育娱乐休闲方面的应用
　　利用碳纤维轻量化、耐疲劳、耐磨、耐腐蚀等特性，应用于体育用品。如高尔夫球棒的长柄、球棒的头部、头部击球板等，用量已占碳纤维体育用品的50%；球拍如网球拍、羽毛球拍、壁球拍，网球拍的市场规模约为450万只，碳纤维用量约为500吨；以及帆艇、游艇、赛艇、桅杆、垒球棒、滑雪板等等。娱乐休闲如鱼具中的鱼竿、卷线盘等，鱼杆碳纤维的用量约为2000吨。
　　3.在交通运输方面的应用
　　在交通运输方面已应用于赛车、汽车传动轴、大型卡车车体、火车车体、磁悬浮车体，风车叶片及压缩天然气罐等。由于汽车及火车底部的传动罗拉都是金
属材料制成的，金属罗拉重量重，操作时还易出事故，现改为碳纤维复合材料制成的罗拉，重量轻操作安全，重要的是还可节省传动的能量。盛装气体的罐原来都是钢制筒罐，分量重给运输带来很大的不便，现改用碳纤维复合材料的罐，不仅分量轻而且因有碳纤维增强了安全。
　　4．在医疗卫生方面的应用
　　由于碳纤维具有X-光透过性，随着医疗设施技术的提高，将原来CT扫描时患者用的木床改为碳纤维复合材料制品，因木材对X线吸收较多。改用碳纤维后在发泡聚乙烯外侧罩覆碳纤维纺织品可避免X线的吸收，碳纤维的X线透过性为铝或木材的10倍。如全球的X线