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碳纤维复合材料论
碳纤维复合材料
摘要
一、碳纤维复合材料的概况
二、碳纤维复合材料的结构
三、碳纤维复合材料的用途
四、碳纤维复合材料的优势
五、我国碳纤维市场特点及商机展望
六、结论
概况
复合材料（Compositematerials）,是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。
各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。
金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。
非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。
增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。
自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现岀一派勃勃生机。
下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。
结构
碳纤维主要是山碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。
碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。
碳纤维比重小，因此有很高的比强度。
碳纤维是山含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7—9倍，抗拉弹性模量为23000—43000Mpa亦高于钢。
因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/（g/cm3）以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。
用途
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。
碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。
在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
碳
纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。
随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。
80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是乂一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
由碳纤维和
环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。
因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。
所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。
有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4,占机翼重量的1/3。
据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
现在的
F1（世界一级方程锦标赛）赛车，车身大部分结构都用碳纤维材料。
顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维，用以提高气动性和结构强度碳
纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。
传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。
碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、
汽车板簧和驱动轴等。
优势
1、高强度（是钢铁的5倍）2、出色的耐热性（可以耐受2000°C以
上的高温）3、出色的抗热冲击性4、低热膨胀系数（变形量小）
5、热容量小（节能）6、比重小（钢的1/5）1、优秀的抗腐蚀
与辐射性能
我国碳纤维市场特点及商机展望
世界碳纤维产能、需求和价格变化见图1。
国际碳纤维市场的发展呈现波浪型推
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进。
图1世界碳纤銀的产陡.爲怎和价格雯化图
2000年前后和2008年前后两次碳纤维的市场波峰和各级政府的大力推动，使我国大量投资者进入碳纤维领域。
从全球碳纤维发展40年历史看，供需信息不对称或矛盾是造成近20年碳纤维价格波动的主要原因。
前一轮的价格高峰从2007年开始，到2009年突然下滑，使一些碳纤维厂不得不关闭部分生产线，业界认为主要原因是商用大飞机生产的延误所致。
从2008年起世界各主要厂家的扩产计划重新启动，日本企业预测碳纤维材料价格将上涨。
主要碳纤维厂不同年份新产能的增加情况及年平均增长率见图2和表1。
30
25
20
15
10
5
0
芍
20042005200620072008
■Formosa
□Hezcel
□Cytec
□Aldla+SGL
□SGL
□Mitsubishi
□Toray
□Toho
□Zoltek
年份/a
图2世界威纤维厂不同年佑新产能的増加情况
表1世界主要碳纤维厂产能平均年增长率统计
%
厂家龙称
2007-2008年
2002〜2007年
Fonnosa
55.7
16.4
Zoltek
44.6
30.9
SGL
37.9
8.8
Toho
29.7
10.2
Toray
28.8
13.7
Hexcel
26.8
7.0
Mitsubishi
0
1L<5
Cytec
0
14.9
Zoltek公司依据H前迅猛增长的风电叶片和汽车市场，在2010年9月30日的
国际碳纤维会发表观点认为：
2010〜2013年，碳纤维市场需求将以每年30%增长;
到2017年，全球碳纤维的产能将达到40万t/m而2010年全球的产能也就5万
t/ao111此新一轮价格上涨趋势已形成，至2010年底，全年涨幅超70%已成事实。
2中国碳纤维领域的投资现状及严峻挑战
据不完全统讣，到U前为止国内已有32家公司宣布投资碳纤维领域，同时国内还有10家碳纤维专门研究机构。
如果按这32家宣布的计划产能，已经是U前全世界实际产能数据的2〜3倍。
这32家公司分布在16个省、市或直辖市（见图3）,其中已经实际投入的有28家，目前，已经投产的有17家；其中，绝大部分实际产能在lOOt/a以下。
忖前大都已开工碳纤维厂家的产品规格是lk、3k或6k,个别有12k,性能在T300级水平左右，品质均匀度还有待提高；T700级碳纤维还
图3中国碳纤维投资者省份分布
山于市场小丝束碳纤维的需求量有限，不少已经开工的企业正在为碳纤维的销路发愁。
3国际碳纤维利润与成本
⑴根据2001〜2002年的数字，国际主要碳纤维厂利润情况见表2（平均行业利润率：
15.7%）。
<2国际主要碳纤维厂商利润情况
厂家名称
销隹额
净利汹
Toray
100
5
Toho
SO
15
Mitsubislu
60
10
SQL
?
5
5
Cytec
J4
10
Zoltek
36
5
HckccI
75
10
Foilafil
16
5
舍计
4?
6
67
⑵碳纤维各丄艺分担成本见表3,碳纤维的成本构成见图4。
表3
碳纤维各制造工艺分担成本
工艺
成本#矣元・1『）
成本比/%
原丝
5.04
51
虱化
1.54
16
確化
232
23
复面上浆
0J7
4
卷蝇色裝
0.61
6
总计
9.88
100
注：
1lb=0.4S4kg
194碳纤维的版本恂底
4碳纤维的产业链和价值链
4.1碳纤维的取材形式及比例
预浸布：
51.6%,编织布：
20%（其中有12.4%要经过预浸进入后段），短切纱：
19%,纤维丝束通过缠绕等方式直接使用：
9.9%,具体见图5。
R15从喊勞ta到较纤幷31合忖卄创韜的母扎分布从用苣荷况
4.2碳纤维产业链关联度非常紧密，上游帮扶下游就是帮自己碳纤维产业链见图6所示。
碳纤维制造企业因为资金和技术的优势，要成为引领整个产业链的生力军！
市场培育任重道远！
只有不断推进从碳纤维向纤维材料以及复合材料制品的纵深发展，完善产业链，扩大碳纤维的应用范围，才能使整个碳纤维行业实现跨越式的发展。
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4.3碳纤维产业链中的价值链我们常听到关于碳纤维价值链的说法是：
从石油原料到碳纤维，增值关系是1到3,而把碳纤维做成复合材料，增值可以到10。
而国际上还有一个类似的说法：
一个工业用碳纤维复合材料零件的成本构成，其中碳纤维和树脂的成本占25%,把碳纤维转成预浸料或编织布（我们称之为纤维材料），转化成本为15%,而把纤维材料制造成复合材料构件，需要60%的成本，原因是这个过程的边角废料太多，主要是沿袭于航空航天的成型工艺效率太低。
当很多人抱怨：
碳纤维因为价格太高而影响其应用面时，我们必须重视除了25%〜30%的碳纤维成本之外的其它70%〜75%的纤维和构件成型的巨大成本。
否则，即使碳纤维成本降得再低，做出的复合材料成本还是惊人！
结论
中国碳纤维“平民化”发展之路探讨
碳纤维因品种和质量的不同，价格从100多元/kg至1J5万多元/kg（日本东丽的M60J据说曾炒到这个价格）都有。
其中，走小批量、高精尖的品种，我们不妨戏称为“贵族碳纤维”，而量大、价格相对低的碳纤维，我们则戏称为“平民化碳纤维”。
中国堪称是世界碳纤维研发的“老人”，但却是产业化的“新手”，所以，对于中国众多碳纤维企业来说，探讨“平民化”之路有实质意义。
（注：
素材和资料部分来自网络，供参考。
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