碳纖維它的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)有什么不同？

碳纖維是一種碳含量超過(guò)90%的纖維狀炭材料，是以有機(jī)纖維——聚丙烯晴（PAN）纖維、粘膠纖維、瀝青纖維等原絲經(jīng)過(guò)預(yù)氧化、碳化、石墨化等高溫固相反應(yīng)工藝過(guò)程制備而成，由有擇優(yōu)取向的石墨微晶構(gòu)成，因而具有很高的強(qiáng)度和彈性模量（剛性）。 它的比重一般為1.70 g/cm3～1.80g/cm3，強(qiáng)度為1200 MPa～7000MPa，彈性模量為200 GPa～400GPa，熱膨脹系數(shù)接近于零，甚至可為負(fù)值（～1.5×10的-6次方）。 優(yōu)點(diǎn) 碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，無(wú)蠕變，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性好，纖維的密度低，X射線透過(guò)性好。 缺點(diǎn) 1、局部容易過(guò)熱

從科技的角度看‘中國(guó)為什么量產(chǎn)不出好的碳纖維’？

在強(qiáng)調(diào)節(jié)能環(huán)保的時(shí)代，輕量化是一個(gè)重要的主題，碳纖維的出現(xiàn)無(wú)疑給制造的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了希望。本文從原材料、工藝路線、制造設(shè)備和內(nèi)外部環(huán)境來(lái)看我們國(guó)內(nèi)做碳纖維的差在什么地方。

從技術(shù)角度看中國(guó)為什么量產(chǎn)不出好的碳纖維

基本概念：

什么是炭化和石墨化？

【炭化】就是有機(jī)纖維在高溫下裂解，逸出氫、氧、氮等小分子，最后留下碳元素的這么一個(gè)過(guò)程。這是一個(gè)碳元素占比增加的一個(gè)過(guò)程，有文獻(xiàn)把碳元素占比增加到92%后才稱(chēng)為碳纖維。

【石墨化】就是碳材料內(nèi)部碳原子在高溫下進(jìn)行重新排列，慢慢趨向于完美六元網(wǎng)格的一個(gè)過(guò)程。在碳纖維內(nèi)部就是原先比較雜亂的碳原子排列次序慢慢趨向于規(guī)整排列的亂層石墨結(jié)構(gòu)的過(guò)程。

把碳纖維加熱到1500℃，如果這個(gè)過(guò)程是一個(gè)碳元素聚集的過(guò)程，它就叫炭化；如果在這個(gè)溫度下碳元素不再聚集保持在固定占比比例，而是碳原子排列趨向于規(guī)整六元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，那么它就是石墨化過(guò)程。所以炭化和石墨化沒(méi)有明顯的溫度界限，哪一種趨勢(shì)更明顯就稱(chēng)為哪一種過(guò)程。不同的原材料在不同溫度下的趨勢(shì)是不一 樣的，炭化和石墨化都是一個(gè)過(guò)程，不是最終結(jié)果，不要以溫度來(lái)區(qū)分炭化和石墨化。

關(guān)于強(qiáng)度和模量。

將材料損壞所使用的最大力就是【強(qiáng)度】。如果是拉伸損壞就是拉伸強(qiáng)度，如果是彎曲損壞就是彎曲強(qiáng)度也叫抗折強(qiáng)度，如果是壓壞就是壓縮強(qiáng)度?！灸Ａ俊烤褪菍⒉牧鲜┘油饬κ蛊渥冃我欢ǔ叽缢玫牧?。將材料拉長(zhǎng)一定尺寸所用的力就是拉伸模量，同樣還有彎曲模量和壓縮模量。

什么是好纖維

要想知道為什么搞不好碳纖維先得知道什么是好的碳纖維。

首先一根纖維應(yīng)該是均勻直徑，均勻物相，每一段纖維都與整根纖維一樣，強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)。在一根纖維上不同地方截取一段纖維，如果它們的強(qiáng)度比較均勻則是好纖維。其次同一束纖維有n多根纖維，這些纖維的強(qiáng)度比較均勻則是好纖維。最后，所有纖維所有部分強(qiáng)度、模量和尺寸等性能均比較均勻達(dá)到標(biāo)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)就是好纖維。

我標(biāo)稱(chēng)3500MPa強(qiáng)度的碳纖維，每一根纖維和纖維每一段都符合要求，均勻分布在2000MPa，這也不叫好纖維。所以好纖維就是又均勻又標(biāo)準(zhǔn)。日本碳纖 維做的比我們好就是因?yàn)樗鼈兊奶祭w維更接近這一標(biāo)準(zhǔn)。我們中國(guó)的碳纖維差就差在均勻性上了，標(biāo)稱(chēng)T700的碳纖維有的纖維比T1000還高，有的還不如 T300。

中國(guó)為什么做不好碳纖維？

到底什么因素影響了碳纖維的均勻性，需要我們從原材料開(kāi)始審視整個(gè)工藝路線。

第一，原材料

纖維狀碳材料需要利用含有碳原子鏈的高分子進(jìn)行炭化來(lái)得到。經(jīng)常用來(lái)炭化的高分子有三種：纖維素（Rayon）、聚丙烯腈（PAN）、瀝青（pitch），今天講的是聚丙烯腈。如果原絲不均勻，里面含有很多雜質(zhì)或者缺陷，這些缺陷就會(huì)傳給碳纖維，所以要想造出好的碳纖維必須有好的原絲。

原絲是怎么來(lái)的呢？是用聚丙烯腈進(jìn)行紡絲做出來(lái)的。聚丙烯腈是粉末，首先將聚丙烯腈溶于一種溶劑，出于保密的考慮，我不會(huì)告訴你這種溶劑叫二甲基亞砜。聚丙烯腈可以溶于這種溶劑，但是不能溶于水，但這種溶劑可以和水無(wú)限互溶。我們將聚丙烯腈與這種溶劑混合物通過(guò)類(lèi)似淋浴似的噴絲頭噴出來(lái)，噴到這種溶劑的水溶 液里，因?yàn)榫郾╇娌蝗苡谒龅剿畷?huì)凝固成一根根的聚丙烯腈原絲，這時(shí)候的原絲非常粗，同時(shí)原絲里面的溶劑要擴(kuò)散出來(lái)，我們會(huì)通過(guò)n級(jí)溶液進(jìn)行擴(kuò)散。這 里的溶液濃度是逐級(jí)降低的，有利于溶劑向外擴(kuò)散。等擴(kuò)散完之后，原絲就會(huì)進(jìn)入水洗階段，這個(gè)時(shí)候在往前走的時(shí)候給它施加牽引力，原絲就會(huì)在牽引力的作用下慢慢變細(xì)，最終通過(guò)致密化，然后收絲。為了防止纖維和纖維之間粘連，中間還需要弄上上漿劑。這就是整個(gè)原絲的生產(chǎn)流程，如果用的聚丙烯腈原材料不好或者不均勻，那么紡絲過(guò)程原絲必然會(huì)有很大缺陷。

都知道聚丙烯腈是丙烯腈聚合起來(lái)的，這種丙烯腈聚合的時(shí)候還需要添加一些催化劑，把這些原料都倒入水中，讓它們?cè)谒芯酆希酆铣鰜?lái)的聚丙烯腈不溶于水，于是產(chǎn)生沉淀。將水過(guò)濾掉就得到聚丙烯腈。同時(shí)這個(gè)聚合過(guò)程是一種放熱過(guò)程，所以必須慢慢調(diào)節(jié)原材料進(jìn)入水的速度，讓這個(gè)過(guò)程極可能緩和，同時(shí)還需要冷卻，防止過(guò)熱。這個(gè)過(guò)程很難控制，水中有各種聚合單體，還有產(chǎn)生的沉淀物，很可能會(huì)發(fā)生某一種原材料在反應(yīng)容器中分布不均勻，造成聚丙烯腈不能達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)。這就是原材料的影響因素，它們的反應(yīng)機(jī)理還需要更系統(tǒng)的進(jìn)行研究。

第二，制備工藝

從聚合時(shí)候的溫度、流量、攪拌速度到紡絲時(shí)候各級(jí)凝固浴、水浴的溫度、速度，還有預(yù)氧化、炭化等過(guò)程，碳纖維制備過(guò)程中的這些工藝參數(shù)怎么組合才能得到最好的碳纖維，是一個(gè)問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)基本上都是差不多主義，沒(méi)有誰(shuí)真正塌下心來(lái)去研究這些參數(shù)的每一項(xiàng)，一個(gè)參數(shù)造成的缺陷不算多，可能很多參數(shù)沒(méi)有優(yōu)化，最后的碳纖維就差了十萬(wàn)八千里了。還有就是我們?nèi)绻獌?yōu)化這許多的參數(shù)，需要一個(gè)龐大的試驗(yàn)計(jì)劃，有誰(shuí)能有資金支持這些實(shí)驗(yàn)?zāi)?。為了盡早做出產(chǎn)品，都在不斷妥協(xié)妥協(xié)，結(jié)果卻造不出好產(chǎn)品。所以制備工藝上，我們還需要有很多路要走，別看我們能做出號(hào)稱(chēng)T300水平、T700水平碳纖維，只是不是太均勻。要是能做產(chǎn)品性能均勻了，付出的努力將n倍于造出差不多的產(chǎn)品。所以國(guó)內(nèi)很多企業(yè)用便宜的價(jià)格賣(mài)差不多的產(chǎn)品也是無(wú)奈，因?yàn)槿毡揪鶆蛐院玫奶祭w維價(jià)格不會(huì)高太多，為了這不太多的差價(jià)去付出幾十倍的努力提高均勻性，企業(yè)會(huì)做這種事嗎？

第三，制造裝備

工藝參數(shù)的調(diào)試需要制造設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。想一想如果我們想試驗(yàn)不同牽伸率對(duì)碳纖維性能的影響，將工藝參數(shù)輸入在控制器上，而牽伸輥卻速度不穩(wěn)定，還振動(dòng)，那我們還能做得好嗎？別以為這個(gè)問(wèn)題好解決，一個(gè)牽引機(jī)上好幾個(gè)輥，速度都要調(diào)節(jié)好，關(guān)鍵是微振動(dòng)，幾乎測(cè)不到的震動(dòng)都會(huì)影響產(chǎn)品性能。干噴濕紡工藝，噴絲頭與 液面的距離是非常嚴(yán)格的，液面波動(dòng)將會(huì)影響凝固效果。

高溫碳化爐溫度均勻性怎么解決？怎么讓纖維進(jìn)入爐子的時(shí)候不被帶入微量的氧氣？預(yù)氧化爐溫度梯度如何實(shí)現(xiàn)？熱風(fēng)如何循環(huán)才能最節(jié)能同時(shí)還能帶走釋放的熱量？氧氣量如何控制……這些都是非常細(xì)微的東西，卻對(duì)設(shè)備提出極高的要求。不可否認(rèn)我們國(guó)內(nèi)設(shè)備這些年發(fā)展非常迅速，可是看看我們的領(lǐng)導(dǎo)人出訪美國(guó)，要求放寬對(duì)中國(guó)高端設(shè)備出口，就知道我們有多么的底氣不足了。

第四，內(nèi)外部環(huán)境

有人可能知道日本碳纖維早期的價(jià)格吧，現(xiàn)在的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原先價(jià)格。什么時(shí)候降下來(lái)的呢？就是在我們宣布能產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)T300水平碳纖維那幾年。什么原因？ 是日本想跟我們競(jìng)爭(zhēng)嗎？不可能，日本人知道我們發(fā)展水平，它即使不降價(jià)我們也競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)他，我們無(wú)非能分走一些低端訂單，根本無(wú)法動(dòng)搖日本的壟斷地位。日本最主要的目的是打擊投資者。

投資者看準(zhǔn)碳纖維發(fā)展前景和利潤(rùn)才決定投錢(qián)研究碳纖維的。如果碳纖維還是高利潤(rùn)，投資者必然會(huì)樂(lè)意投錢(qián)去做一些基礎(chǔ)性研究，將眼光放長(zhǎng)遠(yuǎn)些。但是看看現(xiàn)在做碳纖維的苦日子，還不如做制品的過(guò)得好呢，誰(shuí)還會(huì)繼續(xù)投資啊，更別說(shuō)長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光了。所以國(guó)家也很著急，也在大力扶持企業(yè)，原先很多企業(yè)為了國(guó)家扶持而上馬項(xiàng)目，從國(guó)家拿到不少錢(qián)，結(jié)果還是不行。

前年工信部發(fā)布《促進(jìn)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見(jiàn)》，明確表示重點(diǎn)扶持2-3家企業(yè)，這個(gè)思路是對(duì)了，但是對(duì)于基礎(chǔ)性的研究，國(guó)家還得拿出更多的資金牽頭去做。還 有，我們國(guó)家碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈還不太完整，有一些本末倒置。整個(gè)行業(yè)健康的發(fā)展應(yīng)該是下游拉動(dòng)上游，而我國(guó)下游創(chuàng)新不足，大家都在模仿，賣(mài)產(chǎn)品，而缺乏定制化的解決方案的能力。

未來(lái)國(guó)產(chǎn)碳纖維能發(fā)展到什么程度，需要每一個(gè)碳纖維人的努力，我們?cè)谧鍪且驗(yàn)槲覀兿嘈琶魈鞎?huì)更好。

碳纖維有什么優(yōu)缺點(diǎn)，可以應(yīng)用到什么領(lǐng)域？

碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用主要是在汽車(chē)剎車(chē)片、汽車(chē)傳動(dòng)軸、緩沖器、車(chē)身、汽車(chē)內(nèi)飾以及發(fā)動(dòng)機(jī)零件等，可有效降低汽車(chē)自重并提高汽車(chē)性能。 1、成本太高 與鈦合金相比，碳纖維復(fù)合材料車(chē)用部件的價(jià)格有過(guò)之而無(wú)不及，一些常見(jiàn)碳纖維車(chē)用部件的價(jià)格可能是傳統(tǒng)材料的好幾倍，而較大尺寸的碳纖維車(chē)用部件價(jià)格甚至超過(guò)萬(wàn)元。這主要是因?yàn)椴糠痔祭w維部件的制作過(guò)程需要很多的手工，并且報(bào)廢率很高，造成成本的大量上升。 2、變形幾乎無(wú)法修復(fù) 這也是碳纖維單體殼車(chē)身無(wú)法大規(guī)模鋪開(kāi)的重要因素。由于碳纖維復(fù)合材料并不具備金屬材料的延展性，所以一旦出現(xiàn)了由外力導(dǎo)致的形變，也就意味著碳纖維單體殼車(chē)身內(nèi)部的碳纖維已經(jīng)出現(xiàn)了斷裂或者是

碳纖維性能的優(yōu)缺點(diǎn)及其對(duì)策

碳纖維性能的優(yōu)缺點(diǎn)通過(guò)其他加固材料對(duì)比 ： （1）抗拉強(qiáng)度：碳纖維的抗拉強(qiáng)度約為鋼材的10倍。 （2）彈性模量：碳纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量高于鋼材，但芳綸和玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量則僅為鋼材的一半和四分之一。 （3） 疲勞強(qiáng)度：碳纖維和芳綸纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度高于高強(qiáng)綱絲。金屬材料在交變應(yīng)力作用下，疲勞極限僅為靜荷強(qiáng)度的30%～40%。由于纖維與基體復(fù)合可緩和裂紋擴(kuò)展，以及存在纖維內(nèi)力再分配的可能性，復(fù)合材料的疲勞極限較高，約為靜荷強(qiáng)度的70%～80%，并在破壞前有變形顯著的征兆。 （4）重量：約為鋼材的五分之一。 （5）與碳纖維板的比較：碳纖維片材可以粘貼在各種形狀的結(jié)構(gòu)表面，而板

國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口碳纖維布有什么不同？

現(xiàn)在進(jìn)口碳纖維布和國(guó)產(chǎn)固之寶碳纖維布的區(qū)別幾乎不存在了，產(chǎn)品的革新是比較快的，碳纖維布質(zhì)量的好壞在于織造過(guò)程中對(duì)于織造工藝的把控，以及碳纖維絲原材料的把控，現(xiàn)在按照國(guó)標(biāo)來(lái)基本都是12k高精碳纖維絲。更多的就是價(jià)格問(wèn)題了，一個(gè)是國(guó)產(chǎn)固之寶碳纖維布，一個(gè)是進(jìn)口碳纖維布，進(jìn)口的成本銷(xiāo)到國(guó)內(nèi)，成本就高很多，所以?xún)r(jià)格也會(huì)貴很多，但是質(zhì)量和國(guó)產(chǎn)固之寶差不多。