碳纤维材料介绍

碳纤维材料介绍（精选8篇）

碳纤维材料介绍 篇1

竹浆纤维：一种新型的纤维素纤维，以瓷竹，毛竹等竹子为原料，经过蒸煮水解多次提炼精制而成。

竹炭纤维：使用纳米技术将竹炭粉化，制成原料的母粒，加注纺成聚酯功能丝，多用涤纶作为载体，也有用黏胶作为载体，分为白碳纤维和黑碳纤维，白碳纤维胚纱为白色可染任何颜色；黑碳纤维胚纱为灰黑色，染中浅色布面会透出灰黑色效果，染深色可能覆盖胚纱本色。

椰碳纤维：将椰子外殻的纤维质加热到1200度，生成活性炭，再与聚酯混合并添加其他化学物质制成椰碳母粒，并与聚酯（多用POLY）为载体稀释，抽成椰碳长纤及短纤，椰碳纤维胚纱为灰黑色，染中浅色布面会透出灰黑色效果，染深色可能覆盖胚纱本色。

COOLPLUS POLY：十字型截面，具有吸湿排汗功能

COOLMAX POLY：美国杜邦公司专利的四管道截面纤维，吸湿排汗POLY

CLEANCOOL POLY：以涤纶为载体，加入纳米级银离子，截面为“十字型”，具有抗菌，除臭，吸湿，快干功能，纤维本身为银灰色

X-COOL凉感纤维，以尼龙长丝或涤纶长丝为载体，加入凉感矿石，并利用其特殊的X型截面，使人体肌肤有瞬间凉爽的感受，跟普通NYLON和POLY生产工艺，后整加做速干功能才能更好的表现出清凉感

大豆蛋白纤维（SOYBEANFIBER）：属于再生植物蛋白纤维，采用生物，化学的方法从脱脂的豆粨中提取球状蛋白质，通过添加功能性助剂和生物，进行接枝，聚合，并经湿法纺丝而成。

VISCOSE：属于再生纤维素纤维，它是以天然纤维素为原料，经多种工艺制成黏胶，经湿法纺丝而成。

MODAL：是奥地利灡精公司开发的高湿模量黏胶纤维的纤维素再生纤维，原料采用欧洲的榉木，先将其制成木浆，再通过专门的纺丝工艺加工成纤维，具有很好的柔软性和优良的吸湿性，但其织物挺括性差。

TENCEL一种高湿模量纤维素纤维，原料来自木材，可不断自然再生，采用（NMMO）有机溶剂纺丝工艺，在物理作用下完成。TENCEL有2种：一是G100，二是A100，前者适用于生产优质的桃皮绒产品；后者则适用于不需要桃皮绒而需要布面洁净的产品。MODAL则无法生产优质桃皮绒产品，TENCEL的干强，湿强，湿模量比MODAL要好。

VILOFT扁平横截面，具有保暖功效的黏胶纤维

珍珠纤维（PEARLRAYON）是以黏胶纤维为载体，加入超细珍珠纳米微粒，均匀分布于纤维内部及外表面

PAMELY消臭功能纱线，以黏胶为载体，加入具有微孔结构的矿石粉末，可针对汗臭，老化臭等发挥优异的消臭性

碳纤维材料介绍 篇2

关键词：碳纤维,电极材料,比电容,正交试验

超级电容器 (又称作电化学电容器、双电层电容器) 是一种新型储能器件, 目前广泛应用于电子、电器、通信、汽车、航天、航空等领域[1,2,3]。超级电容器的性能取决于所用的电极材料的性能。目前超级电容器的电极材料主要包括碳材料、金属氧化物和导电聚合物[4]。碳材料因具有成本低、性能稳定、使用寿命长、无污染等优点而备受关注[5,6]。碳纤维材料与其他碳材料相比, 具有电阻小、有效比表面积大、易加工等优势, 因而成为近年来的研究热点[7,8]。

现有的聚丙烯腈基碳纤维的制备工艺主要是针对高模、高强碳纤维制备。所制备的碳纤维电阻小, 由内阻而引起的电损耗较小, 但其表面极性低、表面官能团少, 无法完全浸润在水基电解液中, 无法完全利用其比表面积大的优势, 致使其比电容值较低。本文采用正交试验法, 讨论制备条件对碳纤维电极材料电容性能的影响, 并得出较好的超级电容器用碳纤维电极材料的制备条件[9,10]。

1 实验部分

1.1 正交试验的设计

本文研究预氧化温度、预氧化时间、碳化温度、碳化时间等四个因素对聚丙烯腈基碳纤维性能的影响, 并设计四因素、三水平正交试验, 表1为正交试验设计表。

1.2 电极的制备

将微米级的聚丙烯腈短切纤维放置在马弗炉中, 在空气气氛中进行预氧化处理, 得到聚丙烯腈预氧化纤维。将预氧化后的聚丙烯腈纤维置于高温炉内, 氮气保护下进行碳化处理, 得到聚丙烯腈基碳纤维。将聚丙烯腈基碳纤维均匀夹在泡沫镍中间, 并使用双辊轧机将其压制成1 mm左右的电极片, 并将电极片浸泡在6 mol/L的氢氧化钾溶液中。

1.3 电化学性能测试

使用天津兰力科化学电子高技术有限公司的LK98B II型微机电化学分析系统进行电化学性能测试。

测试采用三电极体系, 以碳纤维电极片为工作电极, 铂电极为对电极, Hg O/Hg电极为参比电极, 在6 mol/L的氢氧化钾溶液中进行测试, 扫描电压区间为0.15~0.6 V, 扫描速率为1 m V/s。利用公式 (1) 可计算出比电容的大小。

式中, Cp:电极材料的比容量 (F/g) ;i:充放电电流强度 (A) ;v:电位扫描速度 (V/s) ;m:电极上活性物质的质量 (g) 。

1.4 XRD测试

使用德国BRVKER公司的D8 ADVANCE型X射线多晶衍射仪, 对预氧化纤维进行分析。扫描速度为5°/min, 扫描区间为0°~50°。通过式 (2) 求得样品的芳构化指数 (AI) [11]:

式中, Ia:试样在2θ=26°时的衍射峰面积;Ip:试样在2θ=17°时的衍射峰面积。

2 结果讨论

2.1 制备条件对碳纤维质量残留的影响

表2是不同条件制备的碳纤维质量残留和AI值。从表2表中计算出的Rj值可以看出, 试验因素对碳纤维质量残留影响的主次顺序为:预氧化时间、预氧化温度、碳化时间、碳化温度。图1是质量残留实验试验因素试验指标的关系图。从图中可以看出, 当预氧化温度为260℃、预氧化时间为90 min、碳化温度为700℃、碳化时间为150 min时, 碳纤维质量残留最大为50.35%。综合表2、图1可以看出, 预氧化程度对活性碳纤维质量残留影响较大。当预氧化程度较高时 (AI值为0.4~0.6) , 碳纤维的质量损失较少, 其原因可能是由于聚丙烯腈分子的线性结构部分变成了环化结构, 提高了聚丙烯腈的裂解温度, 使其在碳化过程中质量损失较少。当预氧化程度过高时 (AI值>0.6) , 聚丙烯腈分子链会发生氧化裂解现象, 这部分断裂的分子链会在碳化过程中完全分解, 从而降低了碳纤维的质量残留。

*为正交试验试验指标。

2.2 工艺条件对碳纤维碳电容的影响

循环伏安曲线是从理论上说明问题, 看其是否能够应用到实际, 具有一定的理论依据。根据所测试到的图示可以得出氧化峰的电流和还原峰的电流, 再依据公式可计算出各个样品相应的比电容值, 得出各个样品相对应的比能量和比功率。表2是第五组实验的循环伏安曲线图, 从图中可以看出, 碳纤维电极材料明显的氧化还原峰和类矩形峰, 这分别是赝电容电容器和双电层电容器的典型特征, 说明碳纤维表面双电层储能和碳纤维上的官能团氧化还原储能均发挥了作用。

表3是不同工艺条件制备的活性碳纤维电极材料比电容数据。

从表3表中计算出的Rj值可以看出, 试验因素对活性碳纤维质量残留影响的主次顺序为:碳化温度、预氧化温度、碳化时间、预氧化时间。

图3是比电容实验试验因素试验指标的关系图。从图中可以看出, 当预氧化温度为240℃、预氧化时间为90 min、碳化温度为800℃、碳化时间为150 min时, 活性碳纤维的比电容值应为最大值, 但正交实验中没有该组实验。按正交实验得出的工艺条件制备碳纤维, 经过测试其比电容值为236.71 F/g, 大于正交试验中的所有测试结果, 说明正交试验计算的结果正确。综合表3、图2可以看出, 碳化温度、预氧化温度对活性碳纤维电容性能影响较大, 聚丙烯腈纤维在环化反应和裂解反应时, 需要一定的反应温度, 当反应温度达到即可发生反应, 而当反应时间较长时, 会使已经形成的结构进一步裂解, 形成小分子随保护气流出。

3 结论

第一, 聚丙烯腈纤维的预氧化程度决定了聚丙烯腈基碳纤维质量残留, 当预氧化程度适中时, 聚丙烯腈基碳纤维的质量残留较高。

第二, 聚丙烯腈基碳纤维电极材料的电容性能主要受碳化温度和预氧化温度的影响。

第三, 通过正交试验及验证试验, 得出聚丙烯腈基碳纤维电极材料最佳的制备工艺是:预氧化温度为240℃、预氧化时间为90 min、碳化温度为800℃、碳化时间为150 min, 此条件下制备的聚丙烯腈基碳纤维电极材料的比电容值为236.71 F/g。

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浅谈碳纤维复合材料的无损检测 篇3

摘要：碳纤维复合材料在建筑、交通运输、宇航工业等方面得到广泛的应用。为保证复合材料的安全应用，复合材料的检测研究受到人们的广泛重视。本文主要探讨碳纤维复合材料的无损检测技术。

关键词：碳纤维复合材料；无损检测

1 碳纤维复合材料无损检测现状

1.1红外热波检测方法

红外热波无损检测的基本原理是对检测材料进行主动加热，利用被检测材料内部热学性质差异以及热传导的不连续性使物体表面温度产生差异，进而在物体表面的局部区域形成温度梯度。温度不同时红外辐射能力也随着发生变化，借助红外热像仪对被测试件进行探测，根据红外热像仪探测的辐射分布来推断被测试件的内部缺陷。

李艳红等[1]用红外热波无损检测技术对碳纤维层压板的圆形缺陷进行了检测研究。试验结果显示，该技术能以直观易懂的图像形式展现出被检材料内部的缺陷情况。原始图像和一阶微分图像能较清楚地显现出轮廓及温度变化过程，还可以做缺陷尺寸标定及深度测量。但由于热图对材料非均匀性的敏感，也可能会对某些试件缺陷造成误判。通过利用红外热波检测方法对碳纤维层压板冲击损伤研究。结果表明，红外波检测方法可以清晰地表征碳纤维层压板的纤维走向，还可以确定冲击损伤在试件内部随深度的变化过程。李晓霞等[2]对低速冲压后的碳纤维复合材料进行了红外热波检测分析，研究了损伤面积和冲击能量之间的关系。结果表明，红外热波不仅对冲击损伤的大小具有检测能力，还可以对损伤材料内部冲击点处的扩展损伤模式进行有效的检测。霍雁等[3]利用脉冲红外热成像技术，对碳纤维复合材料试样内部的模拟脱粘缺陷深度进行测量研究。利用该方法测量脱粘缺陷深度的精度由单点法标定测量结果，实现了在被检测材料热属性参数未知的情况下能较准确地测量脱粘缺陷深度。金国锋等[4]为了实现对复合材料内部界面贴合性缺陷的快速检测和识别，采用超声红外热波方法进行检测研究。结果表明，超声热波方法适于复合材料裂纹、分层、冲击损伤等界面贴合型缺陷的快速检测和识别，而对脱粘等非界面贴合型缺陷检测无效果。

综上，红外热波检测技术可以对碳纤维复合材的裂纹、分层等内部缺陷进行无损检测，但是根据红外热波检测的原理可知，检测过程要经过加热、热传导、形成温度梯度，进而产生辐射等多个步骤，因此，在检测过程中需要一定的时间，不能进行快速的扫描检测。

1.2渗透和层析检测方法

采用渗透和层析检测碳纤维复合材料缺陷，是利用各组分物理性質的不同，将多组分混合物进行分离及测定的方法。

通过在研究碳纤维复合材料缺陷产生机理的基础上，利用氯化金渗透液优良的渗透性能，对碳纤维复合材料钻孔分层进行渗透检测研究，并总结出钻孔立体分层模型。许羽等[5]在电磁层析成像系统中，对带缺陷的碳纤维复合材料进行图像重建仿真。结果表明，采用精确重建算法的电磁层析无损检测技术，可以探测碳纤维复合材料中的缺陷。

渗透检测方法可以检测碳纤维复合材料由于钻孔产生的分层缺陷。但是，渗透检测方法是一种表面无损检测方法，只适用于检测表面开口的缺陷，无法对内部缺陷进行有效检测。

1.3声发射检测方法

声发射检测是通过接收和分析材料的声发射信号，评定材料性能和结构完整性的一种无损检测方法。材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起的应变快速释放而产生的应力波现象称为声发射。

王兵等[6]利用声发射技术对典型的碳/环氧碳纤维复合材料的I/II混合模式分层行为和层间断裂韧性进行实验研究。结果表明，碳纤维铺层在损伤与断裂不同阶段所释放的声发射信号特征不同，声学检测能有效地监测其剪切、混合分层和张力分层过程。声发射检测能有效判断碳纤维复合材料的内部活动过程，判定损伤类型，在碳纤维复合材料结构与完整性评价中有良好的应用价值。通过对碳纤维复合芯损伤进行了声发射信号研究。结果表明，不同应力损伤与声发射信号功率谱频率之间有一定的对应关系，而树脂基体断裂和碳纤维断裂两种不同缺陷的声发射信号有明显的区别。

声发射检测技术可以有效地检测出碳纤维复合材料的内部缺陷及损伤类型。但是，对声发射法来说，缺陷所处的位置和方向并不影响声发射的检测效果，即用声发射检测技术无法检测出缺陷的位置。

1.4微波无损检测方法

微波检测技术是以微波物理学、电子学和微波测量为基础的微波技术应用。以微波作为信息载体，对各种材料构件和自然现象进行检测和诊断，对物体性能和工艺参数等非电量进行非接触、非污染的快速测量和监控，是一门新兴的综合性技术科学。微波检测的原理是研究微波与物质之间的相互作用，通过微波的物理特性（如反射、散射、衍射、透射及多普勒效应等）及被检测材料的电磁特性（如介电常数和损耗的相对变化）来测量微波基本参数的变化，以实现对被测材料的性能、缺陷等非电量的检测。

根据微波检测的原理不同，微波检测可以分为微波穿透法、微波散射法和微波反射法等。微波穿透检测方法是利用微波信号在被测材料中单程传播后，微波信号的变化来表征被测材料内部的特性，其检测原理如图1所示。

图1微波穿透法工作原理图

微波散射检测方法是利用介质杆窄波束探头作为传感器发射微波，再用检波器接收信号，确定试样散射特性，以判断材料的内部缺陷。根据被测试样周围的检波器得到的散射数据，通过逆问题求解，重建被测试样的复介电常数分布的图像（强度分布），从而推断出被测试样的某些重要性质，其检测原理如图2所示。

图2微波散射法工作原理图

微波反射检测方法是利用微波信号在被测材料中双程传播后，微波信号的变化来表征被测材料的内部特性。微波的反射信号不仅携带了被测材料内部的性能特性，还携带了各界面间的结合性能特性，以及金属基体表面的健康状况等特性，分为远场检测和近场检测。用远场反射系数法检测水泥中钢筋位置，利用远场检测实现了对水泥中钢筋的成像，为使反射信号不受外界因素的影响，在被测试样的后面加了一层吸波材料；用同轴探头检测IC封装脱粘，采用的是微波近场检测方法，利用带法兰的同轴探头对脱粘现象进行微波无损检测。

王晓红等[7]对碳纤维复合材料的反射特性进行了研究，研究各种铺层方向的碳纤维复合材料的微波反射特性，结果表明，单向纤维铺层的碳纤维复合材料的反射率与纤维方向及层板厚度有关；交叉铺层的反射率较大，但比金属的反射率小。利用终端开口矩形波导对碳纤维复合材料与砂浆基体间的脱粘进行了近场微波无损检测。研究表明，在10 GHz和24 GHz时利用微波检测技术可以检测的脱粘最小尺寸为2 cm和0.5。利用双极化近场微波反射计检测了碳纤维复合材料与水泥混凝土间的脱粘，该方法可以消除提离距离对检测结果的影响。利用近场微波成像技术对碳加载复合材料内部的空隙进行检测研究。结果显示，不同位置处的能量分布与理论结果相同，由于矩形波导和圆形波导极化方向的不同，在检测空隙时圆形波导更具有优势。通过利用太赫兹成像技术对多种复合材料的内部缺陷进行检测。结果表明，信号的反射脉冲可以表征钢板与陶瓷层间的脱粘缺陷；太赫兹成像技术可以表征玻璃纤维复合材料内部的缺陷和玻璃纤维的方向、分布等；微波信号可以表征碳纤维复合材料表面粗糙度和纤维的方向。

2 研究展望

由于碳纤维复合材料的制备工艺复杂，工作环境恶劣，在其应用领域起着至关重要的作用，因此，急需一种合适的无损检测技术对碳纤维复合材料的质量和健康状况进行评价。现有的检测方法都可以达到无损检测的要求，并且可以对碳纤维复合材料内部的缺陷达到检测的目的。但是，各种方法还存在着局限性，红外检测方法速度较慢；渗透检测只能检测表面有开口的缺陷；声发射检测不能确定内部缺陷的位置，微波檢测技术在碳纤维复合材料的检测研究相对不够深入。

利用微波技术对碳纤维复合材料进行无损检测已经成为无损检测领域的热点和难点之一，到目前为止，对碳纤维复合材料的检测主要是碳纤维复合材料与其他材料之间的脱粘检测。对碳纤维复合材料本身的特性检测还很不完善，还有很多问题有待深入研究。

1）只对碳纤维复合材料与其他材料之间的脱粘和分层做了检测研究，目前对碳纤维复合材料内部各层间脱粘和分层的微波检测尚需要进一步的研究。

2）根据能量分布对复合材料内部大的空隙进行了定位检测，但是对碳纤维复合材料整体的孔隙率进行微波无损检测的研究尚未见报导。

3）对碳纤维复合材料内部的夹杂和裂纹进行微波无损检测的研究较少，需要对其检测的基本理论进行研究。目前没有一种好的理论计算方法来指导微波检测过程，即理论模型的研究有待深入。

4）在检测过程中为了提高检测的灵敏度，需要对检测参数进行优化设计。

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碳纤维材料介绍 篇4

自上世纪60年代碳纤维首次商业化以来，产业规模不断扩大，产品品质不断提高，2014年全球碳纤维产能（365天连续生产12K/24K碳纤维丝束计算）已达到12.6万吨。尽管碳纤维与传统的玻璃纤维在价格上仍不能相比，但高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等突出特点，具有玻璃纤维所不能比拟的优势，已成为发展先进武器装备的关键材料，并在航空航天、国防军工、风能产业、土木工程、体育休闲等领域得到了广泛应用。

当前，国际复合材料产业呈现蓬勃发展态势，据估计，未来5年，先进复合材料将以每年 5%的增速发展，而随着民用航空、汽车工业等领域的快速发展，全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%，亚太地区将会有更高的增长率，即碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。

因此，在目前碳纤维产业快速发展的关键时期，我们更应该认清国际碳纤维产业的发展形势、对照国外先进企业找差距找问题，通过理性思考寻求解决途径，适时把握发展机遇，落实行动、注重实效，努力推进国内碳纤维及其复合材料产业的健康快速发展。

1、国外碳纤维产业现状及发展趋势

1）产业方面

根据前躯体原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基碳纤维等。由于粘胶基碳纤维在制备过程中会释放出毒性物质二硫化碳，且工艺流程长、生产成本高、整体性能不高，因此目前，国际碳纤维产业领域，前两种碳纤维获得了更大规模的生产和应用。其中，PAN基碳纤维又占据绝对优势，国际市场占有率超过90%。PAN基碳纤维的九大生产商包括：日本东丽、东邦、三菱丽阳、美国赫氏（Hexcel）、氰特（Cytec）、卓尔泰克（Zoltek，已被东丽收购）、台塑、土耳其阿克萨（AKSA）和德国西格里（SGL）。沥青基碳纤维的生产和应用居其次，主要生产企业三家，分别是Cytec、三菱塑料和日本碳素纤维。

PAN基碳纤维分为小丝束（1-24K）和大丝束（36K及以上）两类。全球小丝束碳纤维市场主要被日本东丽、东邦、三菱丽阳三家公司所垄断，而来自中国、土耳其和韩国的企业，正不断扩充小丝束的全球产能，同时也降低了三家日本公司的市场份额。

大丝束碳纤维生产商主要有Zoltek、SGL和三菱丽阳三家。另外，中国国企蓝星集团英国分公司拥有大丝束碳纤维原丝的供应能力，Cytec于2014年与德国腈纶企业合作开展低成本大丝束碳纤维的研制开发。预计在未来10年中，其它制造商也会陆续加入大丝束碳纤维生产领域。

为满足高速发展的航空航天与汽车市场对碳纤维的需要，几乎所有的碳纤维巨头都宣布了扩产计划。例如，日本东丽拥有以日本本土为核心的日美法韩4个生产基地，目前已形成11000～12000吨/年的T700S和4500吨/年的T800碳纤维生产能力，并宣布PAN基碳纤维的总产能于2015年达到27100吨，2020年扩大至50000吨。另外，Hexcel在欧洲大幅度扩产，三菱在美国与本土扩产，Cytec已经基本完成美国的双倍产能扩产计划，SGL也在美国接连扩产。各企业的碳纤维生产已基本实现了全球布局，为进一步实现从原丝到下游复合材料制品的全产业链一体化协调发展奠定了硬件基础。2）技术方面

目前，国外高强、高强中模碳纤维的产业化制备技术成熟，规模化、自动化程度高，关键核心技术掌握在日、美等国手中。其中，日本东丽公司凭借其强大实力研制并形成了包括T300、T700、T800、T1000等在内的高强系列和包括M35J、M40、M40J、M55J、M60J、M70J等在内的高模和高模高强系列产品，一直占领着碳纤维技术的制高点，令对手难望其项背。美国Hexcel经过多年的研究，在IM9高强中模碳纤维基础上，研制出IM10碳纤维，主要力学性能超过日本东丽T1000，并成功应用于大型客机。IM10推出两年半后的2014年初，东丽公司宣布推出T1100碳纤维，重新夺回碳纤维技术的领先地位。

目前，低成本技术已成为碳纤维及其复合材料发展的迫切需求和重要趋势。为了进一步推进行业的快速发展，国外各碳纤维生产商正开展碳纤维产品规模化、稳定化和低成本化生产技术方面的研究。

2、国内碳纤维行业发展现状 1）产业技术现状

在国家科技和产业化示范计划支持下，近10年来我国碳纤维制备与应用技术，实现了从“无”到“有”的转变，出现了前所未有的产业化建设高潮，初步建立起国产碳纤维制备技术研发、工程实践和产业建设的较完整体系，产品质量不断提高，碳纤维及其复合材料技术发展速度明显加快，有效缓解了国防建设重大工程对国产高性能碳纤维的迫切需求，部分型号用碳纤维及其复合材料的国产化自主保障问题基本解决。

目前，T300级碳纤维已实现千吨级产业化，产品成功应用于航空航天和武器装备，民用市场正在推广；T700级碳纤维千吨级生产线已经建成，产品进入应用考核；国产T800级高强中模碳纤维吨级线建成并已批量生产；高模及高模高强碳纤维的产业化仍为空白，其工程化制备关键技术急需突破；更高等级的高强中模和高强高模碳纤维制备关键技术亟待攻关。

截至2014年底，我国已拥有碳纤维生产企业近40家，理论设计总产能达到1.96万吨。已建成6条千吨产能（含配套的原丝生产能力）、7条五百吨产能的碳纤维生产线（含配套的原丝生产能力），拥有千吨以上规模生产线的企业4家，五百吨级的企业（或企业联合体）5家，主体产品为12K及以下的小丝束PAN基碳纤维。

据统计，2007年以来，国内碳纤维产量逐年增加，从2007年的约200吨，增加到2014年的约2600吨，但产能释放能力弱的问题依然非常突出，2014年的碳纤维实际产量不足设计产能的20%。一方面，我国碳纤维企业普遍开工不足、设备闲置、产能浪费，生产成本居高不下；另一方面，受国际碳纤维行业巨头的蓄意压制，碳纤维售价一跌再跌，甚至跌至成本以下，碳纤维企业面临着生产越多亏损越多的局面。目前，我国碳纤维企业长期面对“内忧外患”困扰，几乎全部处于亏损状态，大部分企业只能减产甚至停产，生存状况不容乐观。

2）存在的主要问题

目前，我国碳纤维技术、设备、品种和性能等方面还处于起步阶段，与发达国家相比仍有较大差距，无论产量、质量均有待进一步提高。存在的主要问题包括： ① 重复建设多，产能利用率低

具有国际竞争力的全球九大碳纤维制造商中，日本3家，美国2家，而在近几年中，我国碳纤维产业在国家政策的引导下，各地的碳纤维项目如同雨后春笋般纷纷上马，导致目前的碳纤维企业超过30家。投资建设的企业不少，但同时同质化发展的低水平投资现象居多，又由于自主创新能力不足，导致产能规模小、利用率低、竞争力弱，严重制约了碳纤维产业的健康发展。② 技术相对落后，产品质量差

我国碳纤维产业目前相当于国外碳纤维企业上世纪80年代的水平，缺乏具有自主知识产权的核心生产技术，工艺技术的多元化体系建设尚不完善，原丝生产的技术路线单一，生产工艺稳定性差，生产过程能耗、物耗偏高，成本居高不下。

同时，国产碳纤维产业创新团队力量不足，原始创新能力相对较弱，导致国产碳纤维表现出产品性能稳定性、可靠性差，与树脂产品复配的应用工艺性差，高端产品产业化水平低，与国际同类产品差距显著。

③ 部分关键装备落后，设计制造能力有待突破

目前，国内缺乏大型专用生产设备的设计制造能力，对引进装备的二次改造能力也不强。尽管一些企业已开始装备国产化的研究，但自主设计、制造能力相对较弱，装备的工艺适应性、系统可靠性和控制水平等方面与进口设备仍有较大差距。使得碳纤维综合指标协调与可控性不高。因此，缺乏大型专业装备的设计制造能力也成为碳纤维产业面临的主要问题之一。

④ 差别化专用上浆剂有待进一步国产化

目前，国内所用的上浆剂大部分为水性乳液型上浆剂，以环氧树脂为主，品种较少，不能满足国产碳纤维应用日益发展的要求。不匹配的上浆剂会使碳纤维出现毛丝较多、脆性增大、灰份含量高等问题，降低了使用性能。因此，急需开发出包括热塑性树脂上浆剂在内的、适合国产碳纤维的多系列上浆剂类型，进一步研发耐湿热老化、耐高温等高端领域的差别化、专用上浆剂，完善、改进上浆工艺，以满足不同领域碳纤维复合材料加工制造的实际要求。⑤ 应用市场技术发展独立，产业牵引力不足

我国的碳纤维应用是独立于碳纤维制备技术而发展起来的，碳纤维上下游产业发展严重脱节，纤维几乎完全依赖于进口，对国内碳纤维产业发展的牵引力不足，直接造成碳纤维企业开工率低，产能浪费严重。同时，国内碳纤维复合材料的设计、制造和应用水平与发达国家存在较大差距，直接导致国产碳纤维复合材料在高端制品上的应用和工业领域的拓展受到制约。因此，我国复合材料及其制品的设计、制造技术有待进一步提高，碳纤维下游应用市场亟待培育和开拓。

二、国内外碳纤维应用领域现状

1、航空航天领域

航空航天是国际碳纤维应用的传统市场，几十年来，航空航天领域的碳纤维复合材料用量稳步增长。美国等发达国家先后开发了碳纤维-酚醛防热复合材料、高强高韧碳纤维-环氧复合材料、耐高温碳纤维复合材料等系列产品，广泛应用于战略导弹、运载火箭、先进战机、卫星、飞机发动机导向叶片、机翼和涵道部件等。碳纤维已成为航空航天、尖端武器装备必不可少的战略基础材料。

国外碳纤维复合材料在战斗机、直升机、无人机上的用量早已达到或超过机身总重的50%，波音787“梦幻航线”和空客A350XWB宽体客机上，碳纤维复合材料主、次结构件重量占比也已达到50%。碳纤维复合材料的使用大大的减轻了机身质量，提高了飞机燃油经济性。

目前，我国航空航天用碳纤维复合材料体系基本建立，先后发展出了酚醛、环氧、双马、聚酰亚胺等多种树脂基体，构建了碳纤维-酚醛烧蚀防热和碳纤维-环氧、碳纤维-双马结构承载两大复合材料系列，逐渐进入成熟应用阶段，应用范围和应用比例逐步扩大；建立了预浸料铺层模压、缠绕、热压罐、液体成型等多种工艺手段，并在多种型号上得到应用，形成了较为完备的复合材料设计、制造、检测、应用一体化体系，为我国航空航天事业的跨越发展提供了重要支撑。另外，我国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件，性能已全面达到国外水平。采用这一预制件技术所制备的国产碳/碳刹车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机，并在B757-200型民航飞机上使用，在其它机型上的使用正在实验考核中。

2、建筑工程领域

建筑工程一直都是通用级碳纤维应用的重点领域。目前，美国和欧洲国家的部分老旧桥梁、古旧建筑都面临着较为严峻的工程修复问题，因此，碳纤维补强材料多以粘贴片材的形式应用。一些新型的加固方法，如外贴预应力片材加固、网格加固、嵌入式加固等也在基础设施加固工程中得到了应用。日本由于频繁地震的原因，多年前就开始了碳纤维耐震补强材料和技术的研究与应用。随着设计、施工水平的提高，碳纤维及其复合材料也独立或作为主要受力材料被应用于隧道、飞机跑道、停机坪、高速公路等工程。另外，桥梁用碳纤维斜拉索、高层建筑电梯用碳纤维拉索、碳纤维增强水泥、碳纤维网格增强混凝土等也已成为目前碳纤维在国外建筑工程领域应用的新形式。

我国拥有全球最大的土木建筑市场，碳纤维在加固道路、桥梁、楼房建筑结构领域的应用正呈现不断增长的的趋势。我国自上世纪90年代开始进行碳纤维复合材料在土木工程、建筑补强中的应用研究，目前已有数十个高校和科研院所在建筑补强用碳纤维复合材料的制备及应用关键技术研究领域开展了深入工作，并在产品生产、装备制造、材料评价及设计体系、应用技术等方面取得了大量成果。工程应用方面，碳纤维布及碳纤维复合材料板成为重要的结构加固材料，并得到了广泛的应用，先后被用于人民大会堂、天安门城楼、北京工人体育场、军事博物馆、京沈高速公路桥、北京地铁隧道、北京国贸立交桥、中石油输油管道等众多重大基础设施、公共设施和工业设施。但与国外相比，我国该领域碳纤维复合材料的应用尚处于起步阶段，仍存在材料类型单

一、应用技术单一的问题，急需进一步的深入研究和实践。

3、能源领域

随着风电叶片大型化的不断推进，碳纤维复合材料的应用也越来越多。国外风电叶片制造商早已在大型叶片的制造中规模化使用了碳纤维，同时碳纤维叶片的制造也真正实现了全产业链的共同进步。碳纤维制造领域，日本东丽、Zoltek等企业，针对风能市场的特殊需求纷纷推出专用的碳纤维产品，如24K T620s和50K Panex 35；中间制品领域，Gurit、Hexcel、ACG等中间产品制造商开发了叶片专用碳纤维预浸料，如SparPregTM、HextoolTM和DformTM；在叶片成型工艺方面，除了改良的预浸料技术——低压中温预浸料真空袋法，还开发了新型真空导入成型技术——液体成型工艺。目前，国外至少有6家大型风电企业正在采用碳纤维复合材料或碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料生产大型或特大型风机叶片，其中起步较早、技术较成熟、应用较多的是丹麦Vestas、美国GE和西班牙Gamesa等公司。

国内目前仅有连云港中复连众复合材料集团有限公司（中复连众）和中材科技风电叶片股份有限公司（中材叶片）实现碳纤维在风电叶片中的规模化应用。其中，中复连众自2009年开始碳纤维在风机叶片上的应用研究，并于2012、2013年分别实现了进口和国产碳纤维主梁在75m/6MW叶片上的应用，同时完成了叶片的全尺寸静力和频率测试，目前正在准备挂机。中复连众同期开展了风机叶片用国产碳纤维复合材料理化性能、力学性能、工艺性能方面的研究，探索出国产碳纤维应用的设计要求和制造工艺，为推动国产碳纤维在大型风机叶片领域的应用奠定了坚实的基础。中材叶片于2011年在Sinoma 56m/3.6MW叶片的主梁上首次采用碳纤维预浸料，试制生产的56m碳纤维叶片顺利通过了静力实验，随后成功生产了22套56m/3.6MW风电叶片出口美国。

总体上讲，国内碳纤维在风电叶片上的规模化应用尚处于尝试阶段，叶片的设计、结构验证、长期安全性验证等问题都没有形成完善的解决方案。现阶段碳纤维的供应主要来源于国外公司，以碳纤维预浸料为主，供应渠道受限，也是影响国产碳纤维规模化应用的另一主要原因，因此有必要继续开展国产碳纤维在大型风电叶片上的应用研究。

4、体育休闲领域

体育休闲领域是碳纤维复合材料的重要应用领域。碳纤维在该领域的应用主要集中在高尔夫球棒、钓鱼杆和球拍三个产品类型。近年来，自行车、去混球杆、滑雪杆等新兴产品的碳纤维用量也在不断增长。

我国在20世纪80年代初开始研制碳纤维复合材料体育运动器材，目前，已与美国、日本和中国台湾并列成为高尔夫球棒的主要产地。另外，钓鱼竿、网球拍、鱼线轮、网球拍、羽毛球拍、自行车架等产品也是碳纤维在我国的主要用途。

5、碳纤维复合芯导线领域

碳纤维在电力输送领域的研究起步于上世纪90年代，2002年，美国CTC公司开发出碳纤维复合材料芯棒之后才开始规模化应用。目前，美国CTC公司的整体技术处于国际领先水平，但欧洲、亚洲、南美洲的20多个国家、200余条新建和改造线路中也都开展了碳纤维复合芯导线的应用，挂网总长度超过7000km（架设导线总长约为20000km），电压等级覆盖了13.6-550kV。

我国碳纤维复合芯导线整体技术水平与国外相当。2007年，江苏远东、河北硅谷、中复连众等企业开始自主研制碳纤维复合芯及导线。目前，国内碳纤维复合芯及导线生产厂家接近20家（已有供货业绩的有5家），国内年预期产能超过50000km。各主要生产厂家制备的碳纤维复合芯导线技术指标均满足碳纤维复合芯架空导线技术要求并已通过所有型式试验验证，技术性能已达到国外同类型产品的技术水平。

国内外复合芯制造厂家采用日本东丽或东邦T700级碳纤维，T700级碳纤维作为复合芯关键材料，供应及价格一直受制于日本，高昂的碳纤维价格是限制复合芯导线大范围推广的主要原因。

2014年7月，中复碳芯将中复神鹰T700级碳纤维SYT45试用于碳纤维复合芯导线，并在常州35kV邹区线上成功挂网，运行良好。国产碳纤维在复合芯导线的实际应用方面取得了突破性进展。

6、车用碳纤维复合材料

在各国政府的大力支持下，国外各大碳纤维制造商纷纷与汽车巨头联手，发展汽车用碳纤维复合材料设计制造技术，已经形成“碳纤维、复合材料供应商+零部件供应商+主机厂”的联盟式产业化布局，并突破了车用碳纤维复合材料零部件及车体的规模化、自动化制造技术。最成功的实施案例是德国宝马的i3电动概念车，宝马公司为这款车型建立了一条包括碳纤维原丝、碳丝、编织布、复合材料零部件、主机装配等各环节的碳纤维复合材料车身产业链，日产量可达100辆。另外，日本东丽研发出“TEE WAVE AR1”电动汽车，共用碳纤维复合材料160 kg，碳纤维车身成型周期10min/套。日本东邦与丰田合作成立“复合材料创新中心”生产LEA跑车。美国特斯拉公司推出全球首款Roadster纯电动跑车，整车重1200kg，采用碳纤维增强环氧树脂复合材料车身，成型周期为20min/套，年生产量为1500辆左右。

总的看来，国外在碳纤维复合材料汽车轻量化产业方面已经初具规模，处于复合材料发展技术的前沿，主要核心制造技术掌握在少数几个大公司手中，发展已呈现逐步加快的趋势。

而目前，我国碳纤维复合材料在汽车工业中年用量比例还很小，应用较为成熟的技术大部分集中在非连续纤维复合材料成型工艺上。在连续纤维复合材料的快速成型技术方面，重点突破了以热塑性复合材料快速热压成型和快速树脂流动成型为代表的低成本连续碳纤维复合材料部件制造关键技术，并实现了部分装备的连续化自动化生产，实现了连续碳纤维复合材料片材、板材及部分部件的连续自动化制备，初步建立了车用复合材料部件生产示范线。但是，由于缺乏与国产碳纤维匹配、满足汽车生产节拍的快速固化树脂，尚未形成研究、设计、开发、制造、装备、检测、应用评价与推广应用一条龙产业链，同时碳纤维复合材料部件及整车验证、装配技术、质量控制等方面与国外差距巨大，急需进行进一步技术攻关。

另外，随着我国工业化进程的不断推进，诸如碳纤维连续抽油杆、新型储能电池、采油钻井平台等新兴应用领域对碳纤维的需求量也在不断扩大，碳纤维及其复合材料的发展前景一片大好。

结束语

综上所述，我国碳纤维产业正处在高速发展的关键时期，在蓬勃发展的国际碳纤维产业大背景下，我国在重大工程、一般工业和新兴产业领域对高性能碳纤维产品也提出了迫切的需求。国内碳纤维企业应进一步明确自身的创新主体地位，面向国防军工、民用航空、人造卫星等航空航天高端装备制造业，建筑补强、海洋工程、石油勘探等传统产业升级领域，以及新能源汽车等战略新兴产业，分阶段逐步开展不同品系碳纤维产品的产业化关键技术攻关、成本质量控制、工业应用示范和重点领域应用评价，开发出符合我国实际应用需要的高性能、高稳定性、规模化、低成本生产技术和多品系碳纤维产品，真正实现我国碳纤维产业的快速健康发展。

碳纤维材料介绍 篇5

与金属材料相比，高性能纤维复合材料成本高，所以必须在纤维复合材料结构件制造过程中广泛实现自动化和数字化相结合的现代复合材料制造技术，以达到降低飞机全寿命周期内成本的目的。

国外飞机碳纤维复合材料制造技术现状 复合材料用量大幅提高

目前，国外新一代军机和民用运输机已普遍采用高性能树脂基碳纤维复合材料，第四代战机复合材料用量占飞机结构重量的20％～50％，干线客机约为10%～50％。

以波音777为例，在其机体结构中，铝合金占70%、钢11%、钛7%，复合材料仅占到11%，而且复合材料主要用于飞机辅件。但到波音787时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的50%，不仅数量激增，而且已用于飞机的主承力构件。构件集成化、整体化、大型化

复合材料是大型整体化结构的理想材料，与常规材料相比可使飞机减重15%～30%，结构设计成本降低15％～30％，制造成本大幅降低。复合材料还克服了金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点，增加了飞机的耐用性，改善了飞机的维修性，同时也带来了飞机客舱的舒适性。

美国CAI计划将复合材料结构整体成型技术列为其最主要的关键技术之一，并于2001年开始用于F-35(JSF)的验证上。

在波音787之前，飞机的机身段由约2500个配件、3万个螺钉组装起来，现在通过采用集成化的整体机身结构，使生产方式更简单、更可靠，且显著减少了零件数目，减重约达20%。制造设备大型化

在复合材料制造设备上，国外民机广泛采用了高效的双头铺带机、自动铺放设备、大型热压罐及超声检测设备等，为高速生产机体结构提供了保障。

ASC工艺系统公司已制造出用于波音787复合材料机身段固化的、世界上最大的热压罐。该热压罐最大压力1.02MPa，最高温度232℃，作业区面积9m×23m，容积2214m3,重量500t以上。

Flow International公司制造了超大型喷水切割机，用于长达30m的波音787全复合材料结构机翼蒙皮层合板的切割，床身为36m×6.5m。该磨粒喷水切割机可快速、高效切割厚的层合扳，且不产生过热问题。复合材料下料、铺放、切割实现自动化和数字化

由Dassault Aviation公司同BAE体系公司联合设计的商用喷气式飞机机身采用浸渍树脂的碳纤维窄带和蜂窝芯材制造。该机身每节段尺寸为4.5m×2m，机身全部采用圆桶式复合材料（FUBACOMP）方案。

B787飞机加工中生产出的第一个全尺寸复合材料整体结构机身段的尺寸为7m×6m。这一包括桁条在内的整体结构是在一副用殷伐钢制成的大型芯轴中制作的，芯轴上安装有加强筋的W形模腔，加强筋在纤维铺放前被安放在模腔中，应用计算机控制的复合材料铺带机完成纤维铺放。模具被安装在一个旋转机构上，随着铺带过程的进行，该机构带动筒型件旋转，然后该构件被包裹并放入热压罐中进行共固化，形成带加强筋的壳体结构。低成本制造技术广泛应用

由于复合材料的成本较高，特别是制造成本，这是制约它进一步扩大应用的主要障碍之一。以美国为首的西方发达国家纷纷制订低成本复合材料发展研究计划，不断完善复合材料层压板真空袋-热压罐制造工艺，开发高性能、低成本的复合材料制造技术，并已取得较大进展。如自动化的铺带机（ATL）、纤维铺放机、树脂转移模塑成型（RTM）、真空辅助模塑成型（VARTM）、树脂膜熔渗（RFI）、电子束固化及膜片成型等先进技术。

RTM技术不使用预浸料和热压罐，可以有效地降低成本，配套使用三维编织机和三维缝纫机，可以制造较为复杂的零件。RTM技术在美国的F-22和F-35上得到了广泛应用。波音787机身的大部分地板采用RFI制造。波音787机翼后缘由德哈维兰公司采用VARTM工艺制造，与传统的热压罐技术相比，结构更坚固，易于修理，不易损伤。

国内飞机碳纤维复合材料制造技术现状

我国复合材料制造技术经过30多年的研究和发展，已形成了一定的规模，达到了一定的水平。各主机生产厂均已建设了生产手段，完成了相应的设备改造和技术改造。各研究院所及重点高校培养了大量人才。国内从设计、材料到工艺有了一支配套的研发队伍。但与国外相比，还存在应用规模和水平、材料基础、制造工艺、设计方法与手段严重落后等问题，且差距有进一步拉开的趋势。

复合材料用量不高

当波音、空客等新机型大规模采用复合材料后，我国目前仅掌握金属飞机的研制能力，复合材料只能少量地用在飞机辅件上，在主结构上的应用还需进一步研究。

国内1985年制成的歼

8、强5机垂直尾翼壁板及垂直尾翼使用过树脂基碳纤维复合材料。国产客机、运输机主、次承力构件没有使用复合材料的相关报道。国内直升机领域复合材料使用比例较大，直九复合材料使用率达到了23%左右。国内无人机因尺寸较小，复合材料用量较大，一般在50%～80%之间，如爱生系列无人机。

碳纤维依赖进口，国产化程度低

我国自20世纪60年代开始碳纤维研究开发，至今已有近40年的历史，但进展缓慢，无论军用、民用碳纤维均不能自给，同时由于发达国家对我国几十年的技术封锁，至今没能实现大规模工业化生产，仅有的生产厂家还面临国际的竞争和挤压，举步维艰。尤其是像T800这样被广泛应用于飞机制造的复合材料，我国还不能生产。国产化的T300复合材料还在研制之中。工业及民用领域的需求长期依赖进口，严重影响了我国高端技术的发展，尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展，与我国的经济社会发展进程极不相称。

制造设备尺寸小且多数依赖进口

国内用于复合材料生产的主要关键设备与我国要开展的大飞机结构尺寸相比，设备尺寸小，且大多数依赖进口。

如西飞用于飞机复合材料制造的主要设备热压罐是从德国Scotch公司引进的φ3.5m×10m热压罐，有效长度为10m，直径为3.5m，与欧美等国家相比，差距仍然较大。

哈飞用于先进复合材料生产的主要设备，如固化炉、大型热压罐、复合材料数控下料铣、激光铺层定位系统、自动铺带机、RTM成型设备、缝合设备以及先进的无损检测设备等基本上是从国外进口的。

工艺落后，自动化和数字化水平低

以树脂基碳纤维复合材料飞机结构件为例。传统的生产工艺采用预浸料铺层干法成型工艺，在热压罐或烘箱中加热、加压固化成型机体复合材料构件。固化、脱模、修整后的构件经无损检测验证合格后进入下道装配工序。

传统复合材料成型工艺的缺点是手工下料、手工铺放，能耗高，生产成本高，质量不易控制，不环保。在整个工艺过程中产生的废料包括：预浸料、胶膜、蜂窝下料过程中形成的边角料；固化过程产生的废气；复合材料零件修整过程中打磨和切割裁边时产生的固体粉尘，固体边角料；胶接过程产生的废气等，这些因素都增加了产品的制造成本，并对环境造成了破坏。

自动铺带机、自动丝束铺放机、柔性数控气动卡具的出现部分解决了手工铺放质量不易控制的缺点。不过，到目前为止，仍不能完全采用自动化设备来替代手工铺放。同时，热压罐法成型生产周期长，设备费用高，能源消耗大，成本高，由于复合材料零件的整体尺寸越来越大，所需的热压罐尺寸跟着加大，成本问题也随之突出。

综上所述，我国树脂基碳纤维复合材料制造存在着原材料和制品的成本昂贵、制品成型工艺陈旧、复合材料回收再利用困难等问题亟待研究解决。

结论与建议

建立适合国情的复合材料研发模式

与欧美国家相比，我国复合材料制造技术各方面都存在较大差距，主要原因是我国科技转化为生产力的水平较低。与欧美航空工业相比，我国航空企业还没有成为真正的科技转化生产力的主体，科技转化为生产力体制、机制的最佳模式还没有形成。为此，需建立复合材料发展战略，有组织、有规划地进行研究和创新，同时应加大对相关企业的投入，完善科研机制，实行设计制造一体化，提高飞机研制的频度，建立科技转化生产力体制、机制的航空工业最佳模式。

实现高性能、高质量碳纤维国产化

随着我国经济的快速发展，碳纤维的需求与日俱增，虽然国际上一些公司的T300级原丝和碳纤维产品开始对我国解冻，但碳纤维及其复合材料的生产是关系到国防建设的高科技，必须立足国内。所以，需要加大国家投入和攻关，或通过技术引进，尽快掌握核心技术，降低生产成本，研制生产高性能、高质量的碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，扭转大量进口的局面，这是我国碳纤维工业发展亟待解决的问题。

大力发展低成本制造技术

低成本复合材料制造技术是当今世界上复合材料技术领域的核心问题之一，包括低成本的材料技术、低成本的设计技术和低成本的制造技术，如大型整体成型结构、共固化/共胶接结构、设计制造一体化技术等，其中，重点应是以共固化/共胶接为核心的大面积整体成型技术。我们应当向国际上倡导的的“无紧固件”技术靠拢，减少后加工量和装配工作量。

国内亟需在这几方面制订好规划,有组织地统一制订相应规范，使试验和分析更好地结合起来，形成设计和鉴定的统一指南，编制全行业的技术标准，改进最终产品的一致性，降低成本，减小风险，以满足飞机研制的需要。

发展研究创新的制造工艺技术

国外复合材料在飞机上的广泛应用得益于制造设备和工艺技术的发展和成熟。因此，国内要注意规划发展机械化、自动化制造技术（如自动铺带技术、自动纤维铺放技术等），并提高生产设备的柔性，以提高复合材料构件的生产率。注意借鉴其他领域的经验，在飞机零件制造中适当采用缠绕、拉挤等低成本的自动化制造技术，填补这一空白。

采用高效、环保的切割、成型技术

由于复合材料的大规模应用，提高其切割和成型技术就显得越来越迫切。用传统工艺方法切割复合材料时粉尘大、污染高，而且易烧伤端面，成型的余量需要重新去除，因此，应推广采用自动数控高压水切割技术，切割、成型一次完成，生产效率和质量显著提高。

开展无损检测技术的研究与应用

为保证产品的安全性、可靠性及交付后的可维修性，需使用无损检测技术（超声、射线、激光超声等技术）对构件进行检测，以发现复合材料结构中的分层、脱粘、气孔、裂缝、冲击损伤等缺陷，并给出缺陷的定性、定量判定，为工艺分析提供依据。

碳纤维材料介绍 篇6

复合材料可以减轻车身重量，降低油耗，减少尾气排放，提高装载量；其抗冲击性强，能量吸收能力强，可以非常好地改善汽车的安全性能，F1上大量使用碳纤维，就是一个最好的证明；复合材料的可设计性灵活，可视的碳纤维外观使汽车造型更加美观时尚；其抗疲劳、耐腐蚀性能好，可以延长车身寿命，这一特点在航空航天领域得到普遍认可。

二、复合材料在汽车上的应用

复合材料在汽车上主要可应用于发动机罩、翼子板、车顶、行李箱、门板、底盘等结构件中。碳纤维最初主要应于赛车当中，随着车用复合材料技术地不断成熟发展，现在也被广泛地应用于超级跑车和高价值民用轿车上。在商用车应用上，也逐渐从重型卡车中，广泛地延伸到大巴车和轻型小卡。

1、主承载车身结构件

为了确保足够的安全性能，在主承载车身结构件上汽车厂商通常要选择强度，刚性及耐冲击性能均很高的材料用于制作主承力结构件，这时环氧树脂碳纤维增强复合材料就成为理想的材料选择。

环氧树脂碳纤维增强复合材料具有可设计性，质轻高强，与同体积的铝合金构件相比减重可达50%，耐冲击，耐腐蚀，抗疲劳, 材料寿命长，此类材料制作的主承载车身结构件，不仅大大提高了汽车的安全性，而且降低了车重，减少了燃油消耗，提高了经济性，另外还改善了美观性。

2、次承力结构件

次承力结构件主要包括：车门，发罩，行李舱门，前后杠，翼子板，扰流板等部件，其结构大都为层合实体结构和复合材料三明治夹心结构。

三明治结构特点：

蒙皮选用高强度高模量材料制作，承受较大的弯曲负荷；芯材选用一定刚度和强度的低密度材料，其抗剪切性能突出，可承受较大的冲击载荷；胶结层将蒙皮和芯材连接在一起，承受剪切应力；由于选用低密度芯材，重量会进一步降低。

三、用于制作车身结构的主要制造工艺

1、预浸料袋压/热压罐(Autoclave)

该工艺是将纤维预先被树脂浸润，制成半固化态材料，过程中纤维和树脂含量是可控的，采用手工积层，干法操作，易于施工，环境友好。成型制品表面精度高，孔隙率低，品质高，由于采用热压罐加压固化，层间结合紧密，机械强度优。目前是应用最广泛的工艺，是高端复合材料必备工艺，其材料需要低温运输和储存。

工艺流程：根据铺层设计和工艺规范在模具上手工逐层干法铺贴；制袋密封，使其内部处于真空并产生负压，消除气泡；送入热压罐，在一定的温度、压力、时间下固化成型。

2、树脂传递模塑(RTM)

该工艺是将纤维经预成型，预编织处理，纤维铺放可设计，制品受力合理。预成型纤维体预先铺放在模具型腔内，合模后通过设备用压力将树脂注入模腔，浸润纤维，固化成型，闭模操作，不污染环境，采用多模，多工位机械注射模式，生产效率高。需要树脂灌注设备及多套模具，适于中等至大批量生产方式，制品双面光，尺寸精度高，可做结构复杂零件及镶件。

3、真空灌注/固化炉(Infusion)

碳纤维材料介绍 篇7

随着近年来的不断投入和努力,我国的碳纤维产业发展进入到井喷期。目前,我国已经建成或即将投入使用的T300级碳纤维材料商业化生产线已有10余条,目前一些企业还将计划扩容。由于生产设备和技术基本立足于国内,我国的T300级碳纤维材料基本可以满足军民用需求,目前,3K、6K、12K和24K丝束军民用产品发展的都很快。当前,我国的T300级碳纤维材料的总产能大致约为1.9至2.2万t,总产能已经达到世界第一。

2007年以来,国产军用碳纤维材料已经被广泛应用与我军新型装备领域,例如中航沈飞公司研制生产的歼11B和歼11BS战斗机已经广泛采用国产军用碳纤维材料制成的垂直尾翼部件。我军直10和直19武装直升机则大量使用由国产军用碳纤维材料制作的机身框架结构、直升机旋翼、机翼蒙皮和直升机尾翼部件。我军新一代洲际弹道导弹-东风-41和巨浪2都采用了国产碳纤维材料生产的导弹壳体。总体上来说,目前,我国军用碳纤维材料短缺和“卡脖子”问题已经得到根本性缓解,目前主要的工作方向是推进产品质量的稳定和完善加工工艺。

2011年以来,我国T700级军用碳纤维材料生产技术已经成熟,中复神鹰公司的T700生产线是目前世界上第3家采用碳纤维干喷湿纺工艺体系的商业化生产线,具有重要的战略意义。目前,我国在建、建成和规划中的T700级碳纤维材料产能将达到2万t左右。2012年,我国就投资2.5亿元建设了首条T800级碳纤维生产线,并实现了稳定批量生产,打破了发达国家对高性能碳纤维研制与生产的关键设备与技术瓶颈的封锁和垄断,填补了国内高性能碳纤维制造的空白。截至目前,我国的首条T800级碳纤维生产线的产品性能已经达到甚至超过了日本东丽公司的水平。

碳纤维材料介绍 篇8

神户制钢所会长兼社长川崎博也表示，“汽车轻量化趋势已经无法阻挡”.铝的质量只有铁的1/3，在强度相同时，铝的质量约比铁轻50%.神户制钢虽然主营钢铁业务，但其针对轻量化设立的1千亿日元战略投资中有一半以上投向了铝材料.日本国内最大铝业公司UACJ的名古屋工厂决定将铝制饮料罐生产线改造为汽车零部件生产线，并设置全新的精加工生产线.到2020年，日本国内铝市场规模将达到现在的2～4倍.UACJ在2016年5月收购了生产特斯拉和福特汽车铝制骨架的美国厂商，瞄准这一商机，正在进行大规模投资.汽车行业使用以铝为代表的新材料趋势正在扩大.日本钢铁企业和汽车行业经过多年努力，才实现了兼具强度和易加工性新一代钢板的实用化.但环保规定变严格的速度也很快.美国规定到2025年，汽车燃效要比2016年提高50%.单靠改善引擎难以实现.

新日铁住金向汽车厂商提议开发减轻质量20%的最高级钢板，并计划在2020年以后实现量产，其副社长高桥健二表示，“现在只发挥了‘铁’能力的1/10，要将铁的潜力挖掘至极致”，显示出要与铝等新材料进行对抗的决心.

汽车材料不仅限于铁和铝.2016年6月，丰田的插电式混合动力汽车“普锐斯PHV”在日本首次亮相，车身后门采用了强度比铁大、质量比铝轻的碳纤维强化塑料.虽然日本东丽和帝人等企业占据着全球大半的碳纤维市场份额，但现实情况仍很严峻.因为日本在碳纤维材料的车身和保险杠等零件的量产加工技术方面还很落后.而德国宝马已在小型纯电动汽车“i3”的车身上采用了碳纤维材料，成功实现了“碳汽车”的量产.

三井物产认为，持续上述情况，会让日本陷入只能供应碳纤维原料的不利地位，已经迅速展开行动.三井物产从德国进口RTM设备（将树脂融入碳纤维材料后再进行加热固定的装置），并交由金泽大学的革新复合材料研发中心（ICC）与30家企业进行共同研究.该设备于2016年4月启动.在本田出身的研究所所长鹈沢洁的带领下，三井物产、东丽等材料企业以及设备、零件公司技术人员正在共同努力进行研发.

汽车材料竞争已经进入白热化.日本汽车厂商和材料制造商在不断试错的过程中，共同探索成功之路.