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　　 碳素纖維又稱碳纖維（Carbon Fiber，簡稱CF）。在國際上被譽為“黑色黃金”，它繼石器和鋼鐵等金屬后，被國際上稱之為“第三代材料”，因為用碳纖維制成的復(fù)合材料具有極高的強度，且超輕、耐高溫高壓。
　　碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90％以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。
　　側(cè)圖為碳纖維布.
　　1.由來
　　1880年美國愛迪生首先將竹子纖維碳化絲，作為電燈泡內(nèi)之發(fā)光燈絲，開啟了碳纖維（Carbon Fiber，簡稱CF）之紀(jì)元。碳纖維用在結(jié)構(gòu)材料，首先問世者，則以美國Union Carbide公司（U.C.C.）為代表，并于1959年將嫘縈纖維為原料，經(jīng)過數(shù)千百度之高溫碳化后，得到彈性率約40GPa，強度約為0.7GPa之碳纖維；爾后，1965年該公司又用相同原料于3000℃高溫下延伸，開發(fā)出絲狀高彈性率石墨化纖維，彈性率約500GPa，強度約為2.8GPa。
　　另外，于日本大阪工業(yè)技術(shù)試驗所之進藤博士，則以Polyacrylonitrile（簡稱PAN）聚丙烯腈為原料，經(jīng)過氧化與數(shù)千度之碳化工程后，得到彈性率為160GPa，強度為0.7GPa之碳纖維。1962年日本碳化公司（Nippon Carbon Co.）則用PAN為原料，制得低彈性系數(shù)（L.M.）之碳纖維。東麗公司亦以PAN纖維為原料，開發(fā)了高強度之CF，彈性率約為230GPa，強度約為2.8GPa，并于1966年起有每月量產(chǎn)1噸之規(guī)模；同時亦開發(fā)了碳化溫度2000℃以上之高彈性率CF，彈性率約400GPa，強度約為2.0GPa。于1965年，群馬大學(xué)大谷教授，利用加熱氯乙烯（Vinyl Chloride）得到之瀝青（Pitch），經(jīng)過熔融紡絲、不融化與碳化工程處理后，得到普通級碳纖維；大谷教授亦可利用木質(zhì)素（Lignin）為原料制作碳纖維。
　　碳纖維之需求量雖逐漸擴大，但1991年以后冷戰(zhàn)結(jié)束后，軍事用途之使用量萎縮，復(fù)因泡沫經(jīng)濟與景氣蕭條，供需失去平衡，產(chǎn)業(yè)受到?jīng)_擊。然而，美國波音公司新銳機型B777之生產(chǎn)，加上土木、建筑、汽車與復(fù)合材料之?dāng)U大應(yīng)用，碳纖維產(chǎn)業(yè)逐漸緩步成長中。
　　2.碳纖維之種類
　　經(jīng)高溫處理后，其含碳量超過90％以上之纖維材料，稱之為碳纖維。碳纖維之種類分類有許多方法，可依原料、特性、處理溫度與形狀來分類。若依原料可分為纖維素纖維系之嫘縈（Rayon）系與木質(zhì)（Lignin）系；聚丙烯腈（Polyacrylonitrile）系；瀝青（Pitch）系；酚樹脂系與氣相碳纖系等六種。若依特性則分為普通碳纖維；高強度高模數(shù)碳纖維與活性碳纖維等三種。普通碳纖維之強力在120㎏/㎜2以下，楊氏模數(shù)（Young掇 Modulus）在10000㎏/㎜2以下者稱之；高強度高模數(shù)者，則強力在150㎏/㎜2以上，模數(shù)在17000㎏/㎜2以上時稱之。
　　若依加工處理溫度分類時，則可分為耐炎質(zhì)；碳素質(zhì)與石墨質(zhì)等三種。耐炎質(zhì)碳纖之處理加熱溫度為200～350℃，可供作電氣絕緣體；碳素質(zhì)碳纖之處理加熱溫度為500～1500℃，可供電氣傳導(dǎo)性材料用；石墨質(zhì)碳纖之處理加熱溫度在2000℃以上，除耐熱性與電氣傳導(dǎo)性提高外，亦具自我潤滑性。
　　若按碳纖維制品之形狀分類時，可分為棉狀短纖維；長絲狀連續(xù)纖維；纖維束（Tow）；織物；氈毯與編制長形物等。
　　3.碳纖維之研制
　　3.1　嫘縈系碳纖維
　　嫘縈纖維素纖維加熱處理時不會熔融，若在無氧狀態(tài)下的不活性氣體（Inert Gas）中加熱處理，則極易取得碳纖維。
　　3.2　聚丙烯腈系碳纖維
　　聚丙烯腈（PAN）系碳纖維之制造工程大致可分為聚丙烯腈纖維之制備；安定化工程（耐炎化）；碳化工程；表面處理與上漿工程；石墨化工程等五個程序。
　　3.3　瀝青系碳纖維
　　原油經(jīng)900℃以上之高溫提煉后的殘渣中，約含有95wt％之碳質(zhì)，若以電解法去除其中之硫酸，再經(jīng)水洗后可得純度極佳之瀝青（Pitch）。
　　3.4　氣相成長碳纖維
　　氣相成長碳纖維有基材上成長法與流體化觸媒成長法兩種。將鐵、鈷、鎳等金屬微粒（M）加熱至1100℃，令乙炔（C2H2）熱分解脫氫形成碳素沈積成長于金屬微粒下方，形成碳纖維。為基材上成長法之簡圖，可知其間須喂入氫（H2）氣與苯（C6H6）等氣體。
　　3.5　活性碳纖維
　　目前商業(yè)化之活性碳的形態(tài)有粉末狀；顆粒狀與纖維狀等三種，其中粉末狀活性碳（Powdered Activated Carbon，簡稱PAC），大多由木屑制成，平均尺寸約為15～25μm；顆粒狀活性碳（Granular Activated Carbon，簡稱GAC），大致由煤、瀝青粉末制成，平均尺寸約為4～6㎜；纖維狀活性碳（Activated Carbon Fiber，簡稱ACF），則大多由PAN、Rayon、Pitch與Phenolic Resin等纖維制成，平均直徑約為7～15μm。
　　活性碳纖維之吸著性
　　活性碳纖維之特性，其吸著性依原料不同有所差異，其中以日本等國開發(fā)之Phenolic Resin系之效果較佳。在溶劑吸著之過程中，首先是表面質(zhì)傳，再于孔洞內(nèi)擴散，接著活性真吸附與多層吸附，最后形成毛細(xì)凝結(jié)，故活性碳纖維為一種優(yōu)良之溶劑吸著材，甚至回收利用。同時對于空氣凈化、脫色、脫臭、醫(yī)療用衛(wèi)生、防毒面具／口罩、電子材與各項污染防止過濾材等用途皆可廣泛利用。
　　4.結(jié)論碳素纖維每年雖呈小幅成長，但仍具穩(wěn)定之特殊固定市場性與用途需求性。碳素纖維之用途依國家不同而異，美國主要發(fā)展用于國防與航天，而日本則用于運動休閑器材，在未來預(yù)期在環(huán)保用途將會大幅成長。碳素纖維依產(chǎn)品設(shè)計與結(jié)合特殊他種材料會展開另一新紀(jì)元。
　　5.碳纖維之主要用途與比例
　　用途 航天／船艦 工業(yè)／汽車 運動器材
　　國家
　　美國 74.40% 13.60% 12.10%
　　日本 4.00% 33.60% 62.40%
　　碳素纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維增強的復(fù)合材料可用作飛機結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等。
　　碳素纖維是軍民兩用新材料，屬于技術(shù)密集型和政治敏感的關(guān)鍵材料。以前，以美國為首的巴黎統(tǒng)籌委員會(COCOM)， 對當(dāng)時的社會主義國家實行禁運封鎖政策，1994年3月，COCOM雖然已解散，但禁運封鎖的陰影仍籠罩在上空，先進的碳纖維技術(shù)仍引不進來，特別是高性能PAN基原絲技術(shù)，即使我國進入WTO，形勢也不會發(fā)生大的變化。因此，除了國人繼續(xù)自力更生發(fā)展碳纖維工業(yè)外，別無其它選擇。因此，國外尤其是碳纖維生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先的日韓等國對中國的碳纖維材料及制品的出口一直保持相當(dāng)謹(jǐn)慎的態(tài)度，只有為數(shù)很少的中國企業(yè)能夠與其建立合作關(guān)系，擁有其產(chǎn)品的進口渠道。
　　目前世界碳素纖維產(chǎn)量達到4萬噸／年以上，全世界主要是日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲三家公司以及美國的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德國SGL西格里集團，韓國泰光產(chǎn)業(yè)，我國臺灣省的臺塑集團，等少數(shù)單位掌握了碳纖維生產(chǎn)的核心技術(shù)，并且有規(guī)?；笊a(chǎn)。目前在祖國大陸還沒有一個年產(chǎn)100t的規(guī)?；祭w維工廠，大多還處于中試放大階段。值得一提的是我國臺灣省的臺塑集團，在80代年中期從美國Hitco公司引進百噸級碳纖維生產(chǎn)線，經(jīng)消化、吸收和配套后得到迅速發(fā)展，臺塑產(chǎn)量增加很快，但碳纖維質(zhì)量的提高幅度并不大。
　　我國對碳素纖維的研究開始于20世紀(jì)60年代，80年代開始研究高強型碳纖維。多年來進展緩慢，但也取得了一定成績。進入21世紀(jì)以來發(fā)展較快，安徽華皖碳纖維公司率先引進了500噸／年原絲、200噸／年P(guān)AN基碳纖維(只有東麗碳纖維T300水平)，使我國碳纖維工業(yè)進入了產(chǎn)業(yè)化。隨后，一些廠家相繼加入碳纖維生產(chǎn)行列。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，我國已有12家生產(chǎn)規(guī)模大小不一(5～800噸／年)的PAN基碳纖維生產(chǎn)廠家，合計生產(chǎn)能力為1310噸／年，產(chǎn)品規(guī)格為1K、3K、6K、12K。但由于一些企業(yè)沒有原絲可燒，實際國內(nèi)碳纖維的總產(chǎn)量不足40噸/年，而且產(chǎn)品質(zhì)量不太穩(wěn)定，大多數(shù)達不到T300水平?？上驳氖菑?000年開始我國碳纖維向技術(shù)多元化發(fā)展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術(shù)，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術(shù)獲得成功。目前利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國產(chǎn)T300、T700碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達到國際同類產(chǎn)品水平。
　　隨著近年來我國對碳素纖維的需求量日益增長，碳纖維已被列為國家化纖行業(yè)重點扶持的新產(chǎn)品，成為國內(nèi)新材料行業(yè)研發(fā)的熱點。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前擬建和在建的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)有11家，合計生產(chǎn)能力為原絲7100噸／年、碳纖維1560噸／年，其中在建企業(yè)為4家，合計生產(chǎn)能力為原絲1100噸／年、碳纖維470噸／年。
　　盡管我國碳纖維生產(chǎn)發(fā)展緩慢，而消費量卻一直在逐漸增加，市場需求旺盛。主要用途包括體育器材、一般工業(yè)和航空航天等，其中體育休閑用品的使用量最大，占消費量的約80%～90%。我國碳纖維的需求量已超過3000噸/年，2010年將突破5000噸/年。主要應(yīng)用領(lǐng)域為：成熟市場有航空航天及國防領(lǐng)域(飛機、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、雷達等)和體育休閑用品(高爾夫球桿、漁具、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、箭桿、自行車、賽艇等)；新興市場有增強塑料、壓力容器、建筑加固、風(fēng)力發(fā)電、摩擦材料、鉆井平臺等；待開發(fā)市場有汽車、醫(yī)療器械、新能源等。
　　我國碳纖維復(fù)合材料的研制開始于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過近40年的發(fā)展，已取得了長足進展，在航天主導(dǎo)產(chǎn)品(彈、箭、星、船)上得到了廣泛應(yīng)用。近年來，我國體育休閑用品及壓力容器等領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求迅速增長，航空航天技術(shù)的快速發(fā)展急需高性能碳纖維及其復(fù)合材料等，市場需求更加旺盛。
　　為了滿足國內(nèi)市場對碳纖維不斷增長的需求，應(yīng)盡快實現(xiàn)我國碳纖維工業(yè)的國產(chǎn)化和規(guī)?；?。為此，必須加快技術(shù)創(chuàng)新，掌握核心技術(shù)；加速原絲技術(shù)開發(fā)，研制高純度原絲；強化應(yīng)用研究和市場開發(fā)，進一步擴大應(yīng)用領(lǐng)域。碳纖維在我國大有發(fā)展前途，但應(yīng)總結(jié)滌綸等化纖發(fā)展的經(jīng)驗教訓(xùn)，避免盲目發(fā)展，實現(xiàn)健康發(fā)展。
　　為了大型飛機的制造和航空航天事業(yè)的發(fā)展，我國還必須盡快地實現(xiàn)高強中模型碳纖維的產(chǎn)業(yè)化。但是，因為高性能碳纖維是發(fā)展航空航天等尖端技術(shù)必不可少的材料，長期受到以美國為首的巴黎統(tǒng)籌委員會的封鎖。雖然“巴統(tǒng)”在1994年3月解散了，但禁運的陰影仍然存在。即使對我國解除了禁運，開始也只能是通用級碳纖維，而不會向我們出售高性能碳纖維技術(shù)和設(shè)備。因此，發(fā)展高性能碳纖維必須要靠我們自己。我國化學(xué)纖維工業(yè)“十一•五”發(fā)展規(guī)劃中提出了“從以增加數(shù)量為主轉(zhuǎn)向大力發(fā)展高新技術(shù)纖維”，特別是把事關(guān)國家產(chǎn)業(yè)安全的高新技術(shù)纖維材料作為重中之重，而且碳纖維被列為首位，是國家迫切需要短期內(nèi)突破的高新技術(shù)纖維品種，為我國碳纖維的發(fā)展創(chuàng)造了條件，我們要抓住這一機遇，自力更生、努力創(chuàng)新，發(fā)展具有自己知識產(chǎn)權(quán)的碳纖維，以滿足不斷增長的市場需求。國家“863 計劃”以及有關(guān)部委都在關(guān)心我國碳纖維工業(yè)的發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化步伐，并給予強有力的支持，許多材料專家也扎扎實實的做了許多工作?！笆晃濉逼陂g，我國又啟動了相關(guān)“973計劃”。相信“十一五”將是我國碳纖維工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的黃金時代。