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碳纖維的生產制造工藝和發展前景

發布時間：2017-06-02

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1971年，TORAY成了世界上碳纖維第一制造商，從事PAN基碳纖維的大型工業化生產，并將其產品命名為“TORAYCA”，是TORAY碳纖維的縮寫。目前，TORAY是全球生產和銷售碳纖維的領導者。

目前，全世界主要生產兩種碳纖維。一個是PAN基碳纖維以聚丙烯腈為原料，另一個是瀝青基的碳纖維，由煤、石油利合成瀝青蒸餾而成瀝青，然后再聚合成纖維。

在強度上PAN基的碳纖維要優于瀝青基的碳纖維，因此在全世界的碳纖維生產中占有絕對性的壓倒優勢。

碳纖維生產制造工藝

碳纖維的生產工藝
對于碳纖維的生產工藝，當生產PAN基碳纖維的時候，被稱為“母體”的聚丙烯腈纖維首先要通過聚合和紡紗工藝加工聚丙烯腈而成。然后，將這些母體放入氧化爐中在200到300攝氏度進行氧化。另外，還要在碳化爐中，在溫度為1000到2000攝氏度間進行碳化制成碳纖維。除了常規類型的細碳纖維之外，PAN基碳纖維還包括粗纖維，被稱為“人絲束類型碳纖維”，這種粗纖維的生產成本比較低。

碳纖維特性
正如通常人們所說的，碳纖維比鋁還要輕比鋼還要硬，它們的比重是鐵的四分之一，比強度是鐵的十倍。通過與其它纖維的比較，你就可以初步了解碳纖維的特性。還有，碳纖維首先是一種物質，是由和鉆石同等材質的碳制成的。出于這種原因，另外還有在優越的抗張強度利抗拉模量，碳纖維在化學組成上非常穩定，并且具有高抗腐蝕性。碳纖維的其它特性包括高度的X射線穿透性，較高的抗化學，抗熱和抗低溫能力。

碳纖維的這些特性也就意味著它們可以被應用于很多的領域。主要的應用包括體育運動，例如高爾大球棒和釣魚桿；航空應用包括飛機元件；還有工業應用。隨著工業的不斷進步，人們正在尋找很多具有新能的材料，碳纖維的需求在逐漸增長，廣泛地應用于醫療設備、壓力容器、土木工程和建筑材料、能源、其它新的工業應用上。碳纖維的生產成本也在逐漸降低，加工技術趨向多元化，制造商可以按照具體的應用提供一系列的碳纖維產品。所有的這些都支撐了以工業應用為中心的新型應用。

碳纖維的產品形式及制造工藝
碳纖維有四種產品形式：纖維，布料，預浸料坯，和短切纖維。布料指的是由碳纖維制成的織品。預浸料坯是一種產品，是將碳纖維按照一個方向一致排列，并將碳纖維或布料與樹脂浸泡使其轉化成片狀。短切纖維指的是短絲。按照不同的配比，這些產品和樹脂一起應用將形成碳纖維強化塑料(CFRP)。

將樹脂附在纖維上可以制成壓力容器和軋滾，將它們纏繞在一個芯兒上，然后進行塑化或硬化處理。這種方法被稱為“纏繞成型法”。

將布料放入一個模型中，然后與樹脂浸泡，可以用來生產卡車和劃艇的車身部分。這就是所說的“樹脂轉注成型法(RTM)”。

飛機元件的制造是通過在高壓釜中給預浸料坯加熱，加壓和塑化成型而成的。將預浸料坯纏繞在一個芯兒上，然后將其加熱和塑化，這就是所說的“薄片纏繞法”，用這種方法可以用來制成高爾夫球棒和釣魚桿。短絲與樹脂混合可以形成混合物，經過加工可以生產機器元件和其它產品。

過去，預浸坯料是應用最廣泛的碳纖維形式，通過在反應釜內利用薄片纏繞法預制而成。然而，近來，隨著新的工業應用的開發，纖維纏繞成型法，混合物和其他的預制方法得到了更加廣泛的發展。像RTM這樣的成型法的應用，使得制造商可以更加有效地制成大型產品。碳纖維與最合適的樹脂及預制工藝的結合使得碳纖維的應用更加具有吸引力。

應用的發展
目前，各種應用占碳纖維年需求的比例如下：體育應用大約為30％，航空應用為10％，工業應用為60％。

體育應用中的三項重要應用為高爾夫球棒，釣魚桿和網球拍框架。目前，據估計每年的高爾大球棒的產量為3400萬。按照《國家利地區分類，這些高爾大球棒主要產地為美國，中國，日本和中國臺北，美國和日本是高爾夫球棒的主要消費地占80％以上。全世界40％的碳纖維高爾大球椿都是由TORAY的碳纖維制成的。

全世界碳纖維釣魚桿的產量人約為每年2000萬副，這就意味著這種應用對碳纖維有著穩定的需求。

網球拍框架的市場容量人約為每年600萬副。其它的體育項目應用還包括冰球棍，滑雪杖，射箭，和自行車，同時，碳纖維還應用在劃船，賽艇，沖浪，和其它的海洋運動項目中。

在1992年間，航空應用中對碳纖維的需求開始有所減少，主要是受到了商業飛機業衰退的影響，但是在1995早期有得到了迅速的恢復。恢復的主要原因是由于生產效率在整體上都得到了提升，同時也開始全力生產波音777飛機，TORAY的碳纖維被用做結構材料，包括水平和垂直的橫尾翼和橫梁，這兩部分結構是如此的重要，如果他們受損，那么整個飛機在飛行的過程中就可能墜毀。這些材料被稱為“首要的結構材料”，因為他們是如此的重要，所以對他們的質量要求是極其苛刻的。對于波音777飛機，TORAY是波音公司指定的唯一有資格的碳纖維制造商。

歐洲空客也在他們的飛機上使用了大量的碳纖維，TORAY的TORAYCA碳纖維有望將被大量地應用在他們的新型客機A380上。

在工業領域，碳纖維的應用也相當廣泛，作為材料，它們正在替代金屬和混凝土來滿足環境、安全和能源要求，在工業領域對碳纖維的需求量正在呈現上升趨勢。

在土木工程和建筑領域，應用碳纖維的抗震修復和加強法是一項主要突破，正在此領域得劍更加廣泛的推廣。在鐵路建筑中，大型的頂部系統和隔音墻在未來會有很好的應用，這些也將是很有前景的應用。壓力容器主要用在汽車的受壓大然氣(CNG)箱上，如圖所示，還用在救火隊員的固定式呼吸器(SCBA)上。CNG罐源于美國和歐洲國家，現在日本和其他的亞洲國家也對這項應用表現山了極大的興趣。

碳纖維的其它應川包括機器元件、家用電器、微機、及與半導體相關的設備的復合材料的生產，可以用來起劍加強，防靜電，和電磁波防護的作用，另外，在X射線儀器市場上，碳纖維的應用可以減少人體住X射線下的暴露。

隨著碳纖維成本的連續降低，和世界范同內的環保要求的提高，碳纖維開始被應用于汽車領域，將來它們會被應用做尾部沸騰器，發動機，傳動軸和燃料箱材料，在未來將有很好的前景。

碳纖維市場的歷史
碳纖維的全方位商業化始于20世紀70年代，70年代是高爾大球棒和釣魚桿應用的引入和發展時期，主要是在日本。在80年代早期，碳纖維開始被廣泛地用在客機和航空飛行器上作為結構材料，主要是用在歐洲和北美。

然后，人們提高了對碳纖維的認識，開始把它當成一種高質量的材料，并在20世紀80年代中期得到了飛速的增長。在80年代中期，空客公司開始將CFRP作為首要的結構材料應用在它們的飛機上，而且，隨著碳纖維在網球和新的體育項目的應用，碳纖維市場得到了穩步的擴展。盡管1991年的海灣戰爭之后，航空業的發展走向衰退，全球經濟開始停止不前，碳纖維的需求增長也趨向緩慢，自90年代中期以后，碳纖維的工業應用開始成為新的需求增長點。尤其是，歐洲和北美開始將碳纖維應用與壓力容器上，這種增長非常顯著，由丁1995年的神戶大地震，加快了抗震加固應用的需求。在未來，預計碳纖維的主要應用領域將側重于工業應用，而且這一需求將會穩步增加。另外，新一代的航天計劃和與汽車相關的應用都將促進碳纖維的工業化應用。

供需狀況：
在2004年，常規型的碳纖維的產能約為25000 噸，其中75％由和日本相關的制造商生產。另外，低成本的粗碳纖維被稱為“大絲束類型”的碳纖維的產量也有幾千噸，大絲束類型已經開始被用于低端的體育和工業應用中，同時也被應用于過去只有玻璃纖維才涉及的領域。

對于碳纖維來說，通常所說的70％的宣布的產能是實際的產能。所宣布的產能通常是以標準產品類型為基礎進行計算的，但是對于碳纖維，除了具有標準強度和模量的標準產品之外，還有很多其他的根據技術特性而定的等級產品。纖維的粗度也不盡相同，因此，按照產品類型和纖維粗度來劃分，他們的產能是不同的。在生產多種產品的時候，換產會很浪費時間。因此，實際的產能通常會低于宣布的產能。

從2003到2010年按照應用和領域來劃分的全球需求和需求預測。到2010年的這段時間內，碳纖維的需求將每年增長7.5%。預計到2010年碳纖維的總需求量將達到32000噸。

碳纖維的彈性模量高

產品性能：
1、抗拉強度是普通鋼材的8-10倍以上，彈性模量優于鋼材，具有優異的抗蠕變性能，耐腐蝕性和抗震性。
2、重量輕、其重量僅為鋼材的1／5，韌性好：可以盤卷，單卷長度250m供應而無須搭接。
3、施工便捷，施工質量易保證材料不用預加工，工序方便，型材允許交叉。
4、表面光滑、耐腐蝕性耐酸、堿、鹽及大氣環境的腐蝕，不須定期維護;機械性能優良、易機加工等。

應用領域：
建筑領域：混凝土樓加固、橋梁加固、混凝土、磚砌體墻加固、以及煙囪、隧道、水池加固,穿強螺絲桿等;體育用品：航模骨架、箱包骨架、箭桿、旗桿、高檔樂器配件、漁具配件;高科技領域：空中客車配件、飛機、艦艇、輪船配件;軍工設備配件;各種高端機械裝置的傳動軸桿等。（文章來源：頂級復合材料技術分享館）

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