碳纤维应用的最新进展

复合材料应用专题 I碳纤维应用的最新进展

碳纤维应用的新进展最■钱伯章量 (表征在弹性限指揭开，人们现在还不能直接用碳或石

度内物质材料抗拉或抗压的物理量 )是其 3倍多；与凯芙拉纤 维 ( -4 )比，不 KF 9相仅杨氏模量是其 2倍 左右，而且在有机溶 剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。正是由于兼具优

墨来制取，只能采用一些含碳的有机纤维 (尼龙丝、腈纶丝、人造丝等 )如

为原料，将有机纤维与塑料树脂结合在一起炭化制得碳纤维。根据原料及生产方式不同，碳纤维主要分为聚丙

烯腈

(AN)基碳纤维、沥青基碳纤 P

维、黏胶基碳纤维等。 碳纤维除了用于航空航天领域、 国防军事领域和体育休闲用品外，汽车构件、风力发电叶片、建筑加固材料增强塑料、钻井平台等碳纤维新

异性能，碳纤维在国防和民用领域均有广泛的应用前景。

市场也正在兴起。待开发市场有压力

碳纤维是指含碳量在 9%以上的高强 0度、高模量纤维。它 是以化纤和石油产品经特殊工艺制成的纤

容器、医疗器械、海洋开发、新能源等领域，目前几个主要应用领域的情况如下。

1航空航天领域碳纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能，广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天业。例如采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机、卫星、火箭等宇宙飞行器，

维。碳纤维“柔内外刚”质量比金属铝，轻，但强度却高于钢

铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，

如今，一种比头发丝细 1 0倍的 0纤维状碳材料正引发新一场变革。有人预言，人类社会将进入“纤碳维时代”。

在国防、军工和民用方面都是重要材料。

不但推力大，噪音小；而且由于其质 量较轻，所以动力消耗少，可节约大量燃料。据报道，航天飞行器的质量 每减少 l g,就可使运载火箭减轻 k 50 g 2 0 0 k。 0 7年面世的超大型飞机 A3 0 8,复合材料的密度已达 2%。预 3计于 2 1 0 0年

问世的 A3 0超宽客机， 5其高性能轻质结构所占比例将达

碳纤维可加工成织物、毡、席、 带、纸及其他材料。高性能碳纤维是

碳纤维是一种兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征的化工新材料，是新一代的增强纤维。它的密度不到钢的 1 4/,但抗拉强度却是钢的 7 9倍，抗拉弹性也高于钢；~

制造先进复合材料最重要的增强材料，是发展国防军工与国民经济的重要战略物资，在当今世界高速工业化

的大背景下，碳纤维用途正趋向多样化、核心化。

与传统的玻璃纤维 ( )比，杨氏模 GF相

由于碳纤维神秘的面纱尚未完全

6%,成为空客公司第一架全复合材 2

料机翼飞机。轻质“衣”不仅能有外效克服质量与安全之间固有的矛盾， 还能大幅降低飞机能耗。以 A3 0为 8例，其首架飞机每位乘客的百千米油

美国波音飞机公司研制的 B 8 77飞机也已于 2 0 0 7年成功下线，机主整要结构均采用碳纤维复合材料制成， 从外表看，机翼、翼前缘、动机除尾发挂架外，乎看不到金属。这是世界上几第一个采用复合材料机翼和机身的大

飞机绝大部分使用高科技塑料复合材料代替铝材质；飞机主要结构的 5% 0左右，包括机身和机翼均采用复合材料如碳纤维制作。由于机身整体采用复合材料制造，从而无需使用 1 0 50块铝板材和 4万~ 5万个紧固件；与

耗不到 3 L,而 A3 0的百千米油耗预 5计只有 2 5/人，几乎可以跟现在 .L

的小汽车媲美。 航空航天领域是世界碳纤维的传统市场，航空器中碳纤维复合材料的使用量未来几年将以年均 1%的速 2度继续增长，估计将从 20 0 8年的 80 2 0吨增加至 2 1 0 0年的 1万吨以上， 21 0 2年可达 1 3J吨。碳纤维复合材 . 7料约占空客 A3 0飞机 3 8 5吨结构材

型客机，被公认为复合材料发展史上的一个重要的里程碑。复合材料的大量应用大幅减轻了飞机的结构重量， 并使飞机的燃油效率提高 2%。 0

美国波音公司 2 0世纪 9 0年代初 推出的波音 7 7型客机就大量采用了 7

传统的材料相比，使用复合材料会使飞机更为强固和轻巧，可以提高燃油利用效率。这种创新性的结构使飞机提高了运营经济性，同时提高了耐用性。

这种新型材料，使用比例约占 1%。 0 波音 7 7飞机利用碳纤维做结构材 7料，包括水平和垂直的横尾翼与横

波音 7 7 Dr a i e 8 e mln r在华盛顿的组装车间20 0 5年新型空中客车 A3 0和波 5音 7 7客机 Dra i e 8 e ml r投产给碳纤 n维工业带来显著的推进作用。空中客车 A3 0中复合材料用量已接近总质 5量的 4%;波音 7 7机翼和机身上使 0 8用的复合材料超过了 5 o'质量的减 0o/少可以使其节约大约 2%的燃料费， 0 加上腐蚀等方面费用的节省，更是惊人。据市场称，波音和空中客车每年交付使用客机大约 2 0 5 5~3 0架。

料中的 2%以上，包括中央翼盒、 0 机尾组件以及压舱壁。波音 7 7中结 8构材料有近 5%需要使用碳纤维复 0合材料和玻璃纤维增强塑料，包括主机翼和机身。金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量，而且还可以保证不损失强度或刚

梁，如果这两部分重要的结构受损， 那么整个飞机在飞行的过程中就可能坠毁；这些材料被称为“要的结构首材料”,所以对其质量要求极其苛刻。 对于波音 7 7飞机，日本东丽公司是 7波音公司指定的唯一有资格的碳纤维制造商；欧洲空客也在其飞机上使用了大量的碳纤维，东丽公司的 TORAYCA碳纤维将被大量应用在新型客机 A3 0上。 8

度，大大提高了燃油经济性。新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。同时，碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。例如，三

菱重工计划利用碳纤维复合材料制作新一代支线喷气客机 MRJ主机翼和

波音公司即将推出新一代高速宽体客机——“速巡洋舰”音，约 6%的 0结构部

件都采用强化碳纤维塑料复合材料，其中包括机翼，这种材料比铝更加轻便，但强度不相上下。据称， 如果客机中所有部件都使用这种复合材料，那么，新型客机的飞行速度会提高 1%~2%。 5 0 波音公司于 20 0 7年 7月初正式推出的中型“色”喷绿气客机 7 7 Dr a i e, 8 e ml r n可以载客 30人，长途 3

欧洲空中客车公司研制的世界最大民用货机 A3 0 8 F于 2 0 0 5年 4月投入生产，生产过程中更多地采用了碳纤维材料，翼展 7 .m、长 7 m、高 98 3

尾部组件，该机型预计在 2 1 0 3年进入市场。 机体结构复合材料化程度被认为是飞机先进性的重要标志，可以说是“一

2 . m,相当于 8层高的楼房，是世 41界上正在制造的最大货机，设计商用载重量可达 10吨、航程 1 0万 5 .4 kn。 A3 0的中央翼盒采用了碳纤 i 8F

代飞机，一代材料”国外复合材 。

料在军机、直升机、无人机上的用量早已达到或超过 5%,如今在大型客 0机上的用量也超过了 5%。 0

维增强塑料，这种材料质量轻、强度

空客集团研制的超大型客机

A3 0目前已交付使用。机复合材料 8飞占 2%,要应用部件包括中央翼、 5主外翼、尾、尾、身地板梁和后承压垂平机

飞行时可节约高达 2% 0的燃料，由此减少温室气体排放。波音推出的77 8 Dra ie e mln r新机型

框等，仅中央翼盒用复合材料就达5 3吨，现减重 1 5吨。 A3 0是第 .实 . 8一

个将复合材料应用于受载很大的中

于 20 0 8年在日本的全日 空航线上投入商业服务， 其创新的设计特征包括：

央翼盒的大型民用机，开创了大型民用机大规模采用复合材料的先河。

波 7 rme r音譬 e i￣ 8D a

的车间缀装20 o 9年 2 7卷第 1 0期 .

嗣冉舯 9

m 0工z0广 00< 8一‘zz0<, 0z■ 凸一

高，采用新型材料和高技术将使A3 0 8 F在性能上比老一代大型飞机更

道，7 7主要

结构的合同价值高达 82. 0 3亿欧元 (0亿美元 ) 3。

显增加投资，以满足日益增长的A3 0的订单。确切的投资规模和时 5

具优势。空中客车公司认为，全球货运市场在未来 2 0年内将快速发展， 但目前承运商面临着收益减少和货物密度下降的压力，因此承运商希望货机容量更大，以降低单位成本， A3 0 8 F正是为这一需求而设计的。首架 A3 0于 2 0 8F 0 8年投入运营。 最近几年，尤其在亚洲和欧洲，

碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。例如，三菱重工利

间将按照空客公司与其它供应商的预测进行。复合材料及其部件由赫氏复材在美国、法国、西班牙、德国及英国的工厂生产。

用碳纤维复合材料制作新一代支线喷气客机 MRJ主机翼和尾部组件，该 机型预计在 2 1 0 3年进入市场。 欧洲空中客车公司授予赫氏复材 ( xe He c l公司 )其远程宽体客机

2汽车构件由于目前碳纤维的价格偏高，汽车只能说是未来潜在的大市场。但随着钢价持续上扬将可缩小两者间的差

A3 0 5 XW B主结构件的长期供应合同，此合同要求赫氏复材供应碳纤维复合材料直至 2 2年。随着 05

飞机乘客数量的增加促进了对新飞机的需求。倥客全球市场预测估计，

距。而采用碳纤维材质将可改善车辆

的燃料效能，并使二氧化碳排放减少3%。今后随着大丝束碳纤维价格的 0进一步下降及回收技术的确立，预期

将应用于汽车的许多部件和结构材料。目前碳纤维复合材料传动轴、刹车片、尾翼和引擎盖已经在汽车行业广泛应用，虽然现在主要是用在豪华

车型，但预计未来将在大众车型中推广。日产汽车、本田汽车和东丽公司将联手开发汽车车体用的新型碳纤维材料，使车体较使用钢材轻 4%。 0

随着碳纤维成本的降低和世界范围内对环保要求的提高，碳纤维在汽车行业的需求前景也较为乐观。 日本政府亦支持该项计划，望 希在全球开发环保车辆的趋势中取得领 20

0 6年~2 2 0 5年间，飞机运营商将 需要 2 7 0架客机和货机。这些 20 OE正引领着结构性复合材料用量 M的巨大增长，其中包括碳纤维，其最新的应用就是 B7 7和 A3 0飞机。 8 8 截至 20 0 7年 l 2月，空客 A3 0 8 A3 0 5 XW B设计告一段落，赫氏复材 先地位。日本经济产业省计划未来五

和空客公司将共同对用于主结构件的

年投资这项计划 2 0亿日元 (,5 1 8 0万美元)。

赫氏复材产品进行确认，并完成最终的规范和认证。此合同预计将给赫氏

现在，碳纤维材料也成为了汽车制造商青睐的材料，在高级汽车内外装饰中开始大量采用。碳纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大，质量仅相当于钢材的 2%~3%, 0 0

复材带来 4 0~5 0亿美元的收入。另外，除用于主结构件外，赫氏复材的

就收到 1 9个订单。A3 0为大型喷 8 8气式客机，其结构 (括主要结构)包使用了 2%的碳纤维复合材料。截至 2 20 0 8年 1月中旬，波音公司宣布B7 7订单达到 8 7架。 B 8 8 5 7 7中碳纤

复合材料还将用于 A3 0的次结构件 5和内装饰部件，产品包括织物、树脂 预浸料、胶膜、蜂窝、 He M C x

硬度却是钢材的 1 0倍以上；所以，采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化

模压件等，这些与 A3 0相关的材料 5也将为赫氏复材带来相当可观的收

取得突破性进展，并带来节省能源的效益。业界认为，碳纤维在汽车制造领域的使用量会越来越大。据悉，福特和保时捷生产的 G型赛车发动机 T机罩已全部采用碳纤维材料；奔驰的

维/环氧预浸料的唯一供应商是东京的东丽公司 (o a ) T ry,两家公司已经

入。根据该合同，赫氏复材将主要提供用新一代高韧性环氧树脂浸渍He To茁中模量碳纤维的 He P y x w x l

就 T r y a预浸料签订了长达 l oa c 8年

的供应合同。一直到 2 2 0 1年。据报00 ol a蔼 20 o2 oo W r Pl纠 d o9 I7 1

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茁预浸料。赫氏复材为扩大产能将明

5 S型轿车原来内装饰全部是木质材 7料，现在则以碳纤维替代；通用的雪佛莱轿车底盘的内装饰材料也采用碳纤维；宝马公司将 M6型轿车的顶篷全部采用碳纤维，并进行技术处理， 使其保持金属材料的光泽。

减少约 1%的目标。为达减少质量的 0目标，日产汽车公司将增加新型材料 使用量，如碳纤维复合物、玻璃纤维增强塑料、锰合金和超高强度钢板。据日本先进工业科学和技术研究院的数据， 1~ 1 5吨的汽车质量减少 .

1%~2%的速度增长。风电应用将 5 0推动大丝束 (4 2 K)碳纤维产量的增

长。全球对清洁能源的需求还将促进终端产品制造商的持续投资。近年来，虽然风力发电产业发展很快， 但风力发电装备的关键部件 (片)叶

梅赛德斯~奔驰新推出的 S R L迈凯轮超级跑车运用了高强度碳纤维复合材料，车身几乎全部采用碳纤维复合材料制成，该车最高时速可以达到 3 4 k h,这款跑车能够具有如 3 m/此超高速度，除了采用强悍的动力系

1 0 g,可提高行驶里程 I m/ 0k k L。日本各界正积极合作攻关，研发用于汽车的低成本碳纤维材料。成本

多使用玻璃纤维增强材料 ( RP制 GF )造，于满足叶片尺寸加大对刚性的难

要求。碳纤维增强材料 ( RP在叶 CF )片上的应用，疑将促进风能发电产无业的发展。

与钢铁汽车相当的“纤维汽车”有碳望在 2 1 0 5年前后实现商品化。据介绍，新型的汽车用碳纤维复合材料质量是现用钢铁材料的 2%,但强度是 5钢材的 l 0倍，以其制造的汽车可以

到 21 0 0年碳纤维在风机叶片中

统和借鉴 F1赛车设计理念外，由高强度碳纤维复合材料制成的车身大大降低了其整车质量，也是使该款超级跑车性能如此卓越的一大“臣”功。与钢材相比，碳纤维复合材料质量只有钢的 5%,而在碰撞中对能量的吸 0

的应用，将成为继航空航天后的第二大应用。欧

洲和亚洲在这一领域远远领先于美国。全球风机装机容量的增长速度正在加快，高碳纤维含量的长

节约燃油 3%。目前的汽车中，钢铁 0材料约占车体质量的 3 4;而“纤/碳维汽车”中新材料几乎可以完全替代

叶片制成的大容量风机将成为主要趋势。2 0 0 8年，新的风机装机容量大

钢铁材料，相比目前的汽车，“纤 碳维汽车”质量最多将减少 4%据介 0绍，阻N-“纤维汽车”商品化的关碳键因素是制造成本，20 0 8年汽车用钢材的价格约为 1 0多 E元/ g、铝 0 t k合金材料约为 3 0~4 0日元/ g, 0 0 k

收能力却比钢或铝高出 4~5倍；梅赛德斯一奔驰充分利用该材料的这些特性，不仅降低了车身自重，还可以为乘员提供最大限度的安全保障。设计者在 S R的前端结构中嵌入了两 L

约为 10 0 9 0 MW。如果风机的平均容量为 25 . MW,那么就需要安装 7 0 60台风机。叶片数量预计为 2 8 0片。 20 就风能系统而言，丹麦风机生产商维斯塔斯 ( sa)测，到 2 2 Vet s预 0 0年全球的电力消耗量中，风电的份额最高将达到 1%。该公司在风机叶片的 0

根 6 0 m长的碳纤维纵梁，作为车 2r a头碰撞缓冲部件，在发生正面碰撞时，碰撞能量可以被有效吸收，从而

而汽车用碳纤维复合材料的成本目前高达数千日元/ g k。为了尽快降低新材料的成本，目前参加合作研发的有著名材料商东丽公司、汽车巨头日产及本田公司，还有东京大学等高校研究机构，他们的目标是在 2 1 0 5年前后使这一材料技术达到商品化阶段。

载荷加强杆中使用碳纤维，目前为止已经安装了近 34万套的风机系统。 .

确保乘员舱完好无损；不仅如此，由于 S R的乘员舱也全部采用碳纤维 L复合材料制成，当发生侧面或尾部碰撞时，乘员也可以有充足的安全空

目前全球风能发电装机容量的增长速度正在加快，高碳纤维含量的长叶片

制成的大容量风机将成为主要趋势。

间，

使人们在乘驾“路上的 F1赛公车”时，免去了许多后顾之忧。

3风力发电叶片风能发电成本低廉，已成为人类开发新能源的重要领域。预计未来 5年，风能发电的市场需求将以每年

4油田钻探领域目前，碳纤维连续抽油杆已在我国部分油田得到应用。碳纤维复合材

法国汽车生产商标致公司于20 0 7年 8月初推出了更轻量化的 3 8 0

RC Z概念新车 (下图 )见，塑料创新型应用使汽车更加轻量化，全车大量使用了聚碳酸酯 ( )碳纤维，将 PC和聚碳酸酯制作的后部挡风玻璃与大量碳纤维制作的车身组件组合在一起， 汽车顶棚板采用碳纤维制作。 日产汽车公司于 2 0 0 7年底制定目标：到 2 1 0 5年汽车的质量比 2 0 05年减少 1%,以节减 1%的燃料消 5 0耗。丰田公司也制定了中型汽车质量

料有两种成型方式：拉挤和缠绕。碳纤维连续抽油杆就是拉挤成型的一种类似电影胶片的带子。虽然厚只有

4 2毫米，宽仅 3 . 2毫米，但是它比钢

制抽油杆更耐疲劳、抗腐蚀，而且作业速度更快，更节能。据称，碳纤维抽油杆一年约可节电 7万至 8万千

标致公司使用 P e和穰纤维的轻量化概念车 j l一 l≯

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深井钻井和开采其中一个难题就

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复合材料应用专题 I碳纤维应用的最新进展帝斯曼复合材料树脂 Fb roe E rp ie C r— uo e复合材料桥形容：“动休闲市场运往往是检验创新性的平台。”碳纤维生产企业通过为体育用品市场提供

是因为具备这种复合性能。 碳纤维的特殊性能让制造商可以控制产品的力学性能和动态性能，并这

非金属等其他单一材料所能达到的。譬如，纤维让曲棍球棒变得更轻，代碳取了易折的木制球棒，它也促成了 1 0米长鱼竿的问世。高尔夫球杆的生产往 而往要使用两到三种不同类型的碳纤维

新材料，以及商业化的运作模式，很快就可以建立起一

个庞大的产品性能数据库，不久这份

数据就可以提供给航空航天市场。 体育设备制造商需要原料供应商保证其生是井身管柱自重大，钢制油套管易变形断裂。深井管柱如果底下是钢的、 上面是碳纤维复合材料的话，不仅能解决这个问题，而且还耐腐蚀，又

材料，同的层厚度、向、不方拉伸模量特性可满足特定产品的需求。 20 0 9年 7月，浙江力霸皇集团开发生产的一体式碳纤维竞赛型自行车，在欧洲市场卖出了 1 0万元一辆 的天价，并且市场反应相当不错。力霸皇公司从 20 0 6年即开始研究碳纤维材料在自行车上的应用，20 0 8年

产工艺可控。碳纤维有很多重要特性，其中拉伸强度和拉伸模量是终端

用户最为关注的。碳纤维制造商通过控制前驱体材料和加工条件，即可控

轻，比强度高。目前，缠绕成型的高强轻质、耐腐蚀碳纤维油套管应用于海洋和深井钻采，国外已经形成成熟的配套技术系列。

制这两个关键特性，进而得到合适的碳纤维。可以说，细分市场对先进复合材料的需求，促进了生产技术的发展。另一方面，原料供应商也一直在寻找能帮助客户开拓市场的材料新特性。最近所取得的创新成果主要是如何让产品变得更薄、更轻。 这些进展可促进碳纤维在各领域的应用，当然也包括运动休闲产品。 其实，碳纤维最早的商业化应用就是休闲产品市场，其技术开发、工艺及产品改进是很多人共同努力的结果。

取得突破性进展，成为国内率先生产碳纤维自行车的企业。这种用碳纤维制造的竞赛型自行车，质量仅 9 5千 .克，为普通自行车的 2 5/,但是抗撞 击能力却是普通自行车的 8。倍

据悉，碳纤维复合材料已能制成高强度钻杆，以适应更深的超深井和更长位移的大位移井钻井对降低钻柱

6建筑补强材料土木建筑领域。碳纤维在抗震修补和增强措施中使用，其主要应用是 工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、

重量、扭矩和拖拽载荷的需要。这种钻杆是通过在卷筒上缠绕碳纤维

后， 应用一种环氧基复合材料覆盖并密封而成，其优势在于重量轻，具有高强度重量比、超高的抗腐蚀能力以及较强的抗疲劳能力。

隧道、烟囱、塔结构等结构体之加固补强，以及结构中梁、板、柱、墙等

复合特性是碳纤维的应用推手。随着生产及应用技术的进步，碳纤

构件之加固补强。碳纤维自重轻，强度高，耐久性好、抗腐蚀能力强，可

5体育用品在体育赛事越来越受瞩目的今天，人们期望通过装备器材的升级带

维在体育用品中频频亮相。多年来，

碳纤维在高尔夫球杆中的使用一直居首位，在曲棍球棍和自行车架中的应用也逐年增多。而在球拍、钓鱼

耐酸、碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强，是桥梁加固和建筑物抗

震补强的理想材料。近年来海外的需求量大增，日本的碳纤维耐震补强材料和技术已向海外扩展。此外，用碳纤维管制的桁梁构架屋顶，比钢制品

动运动员挑战极限。为此，体育用品制造商在优化装备和器材设计的基础上，积极采用各种创新材料，其中碳纤维复合材料最受青睐。三菱丽阳全资子公司格拉菲尔

竿、滑雪杖、滑雪板、帆板桅杆、航海船体、背包、帐篷杆、垒球及棒球

球棒产品中同样也可以看到碳纤维的身影。 碳纤维之所以用途如此广泛，主要是因为它可以制成各种复合材料。

轻 I2/,使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。由于我国拥有世界

( a l的碳纤维市场营销总监表示， Gr f) i3 0年中，公司掌握了很多加工过程 的外延知识，而这些也正是生产高品质、高性能材料所必须的。.

复合材料兼具树脂基体和碳纤维的特性，其性能随基体材料和碳纤维特性的不同而变化。碳纤维能够在体育用品及其他终端产品中被广泛采用，正

上最大的土木建筑市场，碳纤维作为加固建筑结构材料的应用将面临良好

的市场机遇。圃

体育用品是检验平台。有人这样

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