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1、碳纤维复合材料姓名： 章 周 班级： 无机非金属材料工程学号： 08004018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出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。 结构碳纤维主要是由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
2、、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。 碳纤维是由含碳量较高，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79倍，抗拉弹性模量为2300043000Mpa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
3、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，这在技术上是又一次飞跃，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
4、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
5、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） 7、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进。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
6、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。Zoltek 公司依据目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：20102013 年，碳纤维市场需求将以每年30%增长；到20
7、17 年，全球碳纤维的产能将达到40 万t/a，而2010 年全球的产能也就5 万t/a。由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计，到目前为止国内已有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，已经是目前全世界实际产能数据的23 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100t/a 以下。目前大都已开工碳纤维厂家的产品规格是1k、3k 或6k，个别有12
8、k，性能在T300 级水平左右，品质均匀度还有待提高；T700 级碳纤维还没有批量生产，24k以上的大丝束也基本没有形成量产。由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根据20012002 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%）。碳纤维各工艺分担成本见表3，碳纤维的成本构成见图4。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。4.2 碳纤维产业链关联度非
9、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。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
10、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 到5 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。