碳纖維

由碳元素組成的一種特種纖維。具有耐高溫、抗摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性 外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨微晶結(jié)構(gòu)沿纖維軸擇優(yōu)取向，因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復(fù)合，制造先進復(fù)合材料。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強度及比模量在現(xiàn)有工程材料中是最高的。

20世紀(jì)50年代初，由于火箭、航天及航空等尖端技術(shù)的發(fā)展，迫切需要比強度、比模量高和耐高溫的新型材料，另一方面，采用前驅(qū)纖維為原料經(jīng)熱處理的工藝可制得炭纖維連續(xù)長絲，這一工藝奠定了炭纖維工業(yè)化的基礎(chǔ)。40多年來，炭纖維經(jīng)歷的重大技術(shù)進展如下：

20世紀(jì)50年代初，美國Wright-Patterson空軍基地以黏膠纖維為原料，試制炭纖維成功，產(chǎn)品作火箭噴管和鼻錐的燒蝕材料，效果很好。1956年美國聯(lián)合碳化物公司試制高模量黏膠基炭纖維成功，商品名“Thornel—25”投放市場，同時開發(fā)了應(yīng)力石墨化的技術(shù)，提高炭纖維的強度與模量。

20世紀(jì)60年代初，日本進藤昭男發(fā)明了以聚丙烯腈(PAN)纖維為原料制取炭纖維的方法，并取得了專利。1963年日本碳公司及東海電極公司用進藤的專利開發(fā)聚丙烯腈基炭纖維。1965年日本碳公司工業(yè)化生產(chǎn)普通型聚丙烯腈基炭纖維成功。

發(fā)展展望

20世紀(jì)90年代初，高性能及超高性能炭纖維已問世，預(yù)料今后工作將致力于完善工藝、擴大生產(chǎn)、降低成本和開發(fā)應(yīng)用。一些特種炭纖維，如抗氧化炭纖維(以提高復(fù)合材料的使用溫度)、低纖度炭纖維(做0.035 mm超薄型預(yù)浸帶用)、高導(dǎo)熱低電阻炭纖維(以滿足屏蔽電磁、射頻干擾用，并可散發(fā)多余的熱能)、低熱膨脹系數(shù)炭纖維(供衛(wèi)星天線系統(tǒng)、反射鏡等用)，中空炭纖維(用于飛機制造工業(yè)，提高復(fù)合材料的沖擊韌性，核反應(yīng)堆中的高溫過濾介質(zhì)，分離生物分子血清和血漿用的介質(zhì))和活性炭纖維，隨著科學(xué)及工程的發(fā)展會有很大發(fā)展。氣相生長炭纖維近期內(nèi)在穩(wěn)定工藝 ，連續(xù)化生產(chǎn)方面會有明顯進展，工業(yè)化生產(chǎn)的日期預(yù)料不會太遠(yuǎn)。

未來發(fā)展

碳纖維的多功能性讓國際市場的需求急遽上升，碳纖維的制造商無不努力提升產(chǎn)能以滿足需求。市場上碳纖維供不應(yīng)求的因素可歸納如下：

體育用品　在碳纖維的應(yīng)用中，最早應(yīng)用聚丙烯腈碳纖維的是釣魚竿?，F(xiàn)在世界上碳纖維魚竿的年生產(chǎn)量是1,200萬根左右，相當(dāng)于使用碳纖維約1,200公噸。至于高爾夫球桿是在1972年起開始使用碳纖維，至今世界上碳纖維桿的年生產(chǎn)量約4,000萬根左右，相當(dāng)于2,000公噸碳纖維的用量。

除此之外，碳纖維是從1974年開始應(yīng)用于網(wǎng)球拍的，目前世界上一年應(yīng)用碳纖維的球拍約450萬個，需碳纖維約500公噸。在其他方面，碳纖維還廣泛地應(yīng)用于滑雪板、滑雪桿、棒球棒，以及船舶類體育用品上。

運輸工具─為了降低運輸工具的燃料使用量，人們開始意識到碳纖維的輕量化、耐疲勞性、耐腐蝕性等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天行業(yè)上。在太空領(lǐng)域，由于高模數(shù)碳纖維的輕量性（剛性）、尺寸穩(wěn)定性及導(dǎo)熱性，早已應(yīng)用于人造衛(wèi)星等方面。另為因應(yīng)高油價時代，波音公司的B787與空中巴士的史上最大客機A380，都大量采用碳纖維及其復(fù)合材料，借著它們的高強度與機體重量的減少來換取飛機的高效能及低油耗。