我国碳纤维的发展及现状分析(3)

我国碳纤维的发展及现状分析

管只有10纳米宽，使得电池体积可缩小至普通电池的1/16，却是目前世界上超大级功率的电池。现在的电动汽车使用普通电池，充电一次可跑144km，且产品寿命只能充电200次，而纳米碳素纤维电池充电一次至少可以跑4000km，且可充电1200次以上。 以混有碳素纤维和玻璃纤维的树脂，来制造移动电话、个人数位助理等携带式资讯器材机壳材料，以取代镁材质之机壳，已是电子产品新趋势之一。而最先利用碳纤维材料于笔记本电脑机壳上的是IBM公司的ThinkPad600、570、240与A20，其资料显示，碳纤维强韧性是铝镁合金的两倍，且散热效果良好。 预测未来10年碳纤维的需求量将持续增加，工业用与运动休闲用领域依然为市场主流，而呈两极化发展的碳纤维产品中(高弹性率产品及高强力产品)，以高强力纤维的成长较为看好。但由于厂商间竞争激烈，低价格化已成趋势。 碳纤维产品国外市场概况 世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团，以及美国的卓尔泰克、阿克苏、阿尔迪拉和德国的SGL公司等。其中日本三大集团占世界碳纤维生产能力的75%。世界CT型碳纤维总生产能力为22100t/a，LT型碳纤维总生产能力为9550t/a，实际生产量约为7000t/a。 当前世界上PAN基炭纤维正处于迅速增长的发展期，产品性能趋向于高性能化，T700S加快取代T300作通用级碳纤维；产量增加较快，1996年～2000年增长48.1%；航天航空和体育用品用量增加稳定，民用工业用量增幅较大，已超过前两者，特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，价格的降低，民用工业需求增加迅猛。 日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝公司的小丝束碳纤维产量占世界总产量的75％左右，而这3个公司发表的专利也相当多。例如，东丽公司目前生产的碳纤维T1000，抗拉强度最高(7.02GPa)、单丝直径最细(5.3滋m)，可代表世界先进水平，但该公司最新专利报道，其实验室已研制出新一代碳纤维，抗拉强度已达到9.03GPa，比T1000提高了28.6％；单丝直径降到3.2滋m，比T1000细了39.6％。同时，该公司还开发截面形状为三叶形的PAN原丝及碳纤维，以拓宽其用途。 碳纤维的起源 1880年，美国发明家爱迪生首先将竹子纤维碳化成丝，作为电灯泡内发光灯丝，开启了碳纤维的先河。碳纤维用于结构材料的首创者，则以美国UnionCarbide公司为代表，于1959年以螺距纤维为原料，经过数千百度的高温碳化后，得到弹性率约40GPa，强度约为0.7GPa的碳纤维；1965年该公司又用相同原料于3000℃高温下延伸，开发出丝状高弹性石墨化纤维，弹性率约500GPa，强度约为2.8GPa。 1961年，日本大阪工业技术试验所进藤召男博士，以Polyacrylonitrile聚丙烯腈为原料，经过氧化与数千度的碳化工序后，得到弹性率为160GPa、强度为0.7GPa的碳纤维。 1962年，日本碳化公司用PAN为原料，制得低弹性系数碳纤维。东丽公司亦以PAN纤维为原料，开发了高强度CF，弹性率约为230GPa，强度约为

2.8GPa，并于1966年起达到每月量产1吨的规模，与此同时他们还开发了碳化温度2000℃以上的高弹性率CF，弹性率约400GPa，强度约为2.0GPa。PAN系碳纤维产量于1992年已达6500吨／年，至2000年已超过1万t/a以上。 虽然碳纤维需求量逐渐扩大，但于1991年冷战结束后，军事用途使用量萎缩，又因经济萧条，供需失去平衡，产业受到冲击。然而，美国波音公司新锐机型B777的生产，加上土木、建筑、汽车与复合材料应用领域的扩大，使得碳纤维产业逐渐缓步成长。 碳纤维的种类 经高温处理后，其含碳量超过90％以上的纤维材料，称之为碳纤维。碳纤维的分类有许多方法，可依原料、性能、形态来进行分类。若依原料可分为聚丙烯腈系碳纤维；沥青系碳纤维。其中聚丙烯腈系碳纤维具有高强度、高弹性率的性质，在航空器材、体育、休闲娱乐等领域大范围使用。沥青系碳纤维具有的高弹性模量、高导热性等特性是聚丙烯腈系碳纤维所达不到的，通常以长纤维形态被利用。由于沥青系碳纤维为高模量级纤维，比弹性模量显著优良，故适合于支配刚性结构物轻量化并赋予其结构刚性。另外，沥青系碳纤维具有高导热性、低电阻、低热线性膨胀率及化学稳定性好等特性。 依机械性能可分为超高弹性率碳纤维(UHM类型)，弹性率600GPa以上，强度2500MPa以上；高弹性率碳纤维(HM类型)，弹性率350GPa～600GPa，