高性能碳纤维

高性能碳纤维

目 录

目 录 ..............................................................................................................................I 第1章 碳纤维介绍 ...................................................................................................... - 2 -

1.1 国内、外碳纤维产业发展概况 ......................................................................... - 2 -

1.1.1 中国PAN基碳纤维生产状况 ................................................................. - 2 - 1.1.2 国外碳纤维生产状况 ............................................................................. - 3 - 1.2 碳纤维的物理性能 .......................................................................................... - 4 - 1.3 碳纤维的生产工艺 .......................................................................................... - 4 - 1.4 碳纤维的产品形式 .......................................................................................... - 5 -

1.4.1 碳纤维编织材料 .................................................................................... - 5 - 1.4.2 碳纤维增强复合材料 ............................................................................. - 6 - 1.5碳纤维技术进展及发展趋势 ............................................................................. - 7 -

1.5.1 技术进展 ............................................................................................... - 7 - 1.5.2 最新碳纤维技术动向 ............................................................................. - 8 - 1.5.3 发展趋势 ............................................................................................... - 9 - 1.6 重点应用领域分析 ........................................................................................ - 10 -

1.6.1 航天航空 ............................................................................................. - 11 -

1.6.2 体育休闲用品 ...................................................................................... - 13 - 1.6.3 汽车工业 ............................................................................................. - 14 - 1.6.4 一般工业应用 ...................................................................................... - 15 -

第1章 碳纤维介绍

1.1 国内、外碳纤维产业发展概况

1.1.1 中国PAN基碳纤维生产状况

“十五”期间，国家已批准在安徽蚌埠建立年产500吨PAN原丝和年产200吨/年PAN基碳纤维(T300)生产线，总投资过亿元，华皖碳纤维公司二期建设规模将使碳纤维产量翻一番达到400 t/a，使我国碳纤维工业进入了产业化。目前该项目一期工程正在进行设备安装，将于2005年初建成投产。随后，一些厂家相继加入碳纤维生产行列。还有扬州汇通碳纤维公司采用国产技术新建100吨原丝、40吨T-300 PAN碳纤维，山东威海光威集团在目前的基础上计划新建2500吨原丝、1000吨碳纤维生产线，还有山东天泰碳纤维有限责任公司作为国家计委示范工程，引进全套国外先进碳纤维生产设备，自动化程度较高，年产可达400吨，产品以12K的T300级碳纤维为主。依据中石化吉化研究院的信息，2006年我国主要PAN基碳纤维生产厂家约12家(5～800吨/年)，合计产能约1310 t/年，产品规格为1K、3K、6K、12K，但设备运转率很低，国内实际总产量只有40余吨/年(1K～12K)，而且产品质量不太稳定，大多数达不到T300水平。最大生产企业为吉化公司，生产能力100 t/a；现有装置生产总能力号称300 t/a，实际年产量不足100 t。可喜的是从2000年开始我国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。大连兴科碳纤维有限公司2003年形成年产800 t 碳纤维的生产能力。这标志着我国碳纤维生产开始实现产业化和国产化，已可以替代同类进口产品。兴科公司拥有的年产量800 t 的生产能力，已是当年我国最大的碳纤维生产企业，产品各项技术指标已达到国外同类产品( T300) 先进水平。随着全球CF市场及需求量的普遍看涨，国内还有十几家在建或拟建的CF项目，产能在1400～1600 t/年左右。据不完全统计，目前拟建和在建的碳纤维生产企业有11家，合计生产能力为原丝7100吨/年、碳纤维1560吨/年，其中在建企业为4家，合计生产能力为原丝1100吨/年、碳纤维470吨/年。目前从事碳纤维行业的规模公司主要有华皖碳纤维公司、山西恒天纺织公司，现国内原丝生产规模约875吨/年，碳纤维生产规模约410吨/年。2006年我国PAN基碳纤维主要生产厂家见表3-1。

表1-1 2006年我国(大陆) PAN基碳纤维主要生产厂一览表 (t/a) 公司

上海合成纤维研究所 上海碳素厂 吉林炭素厂 兰州碳素纤维厂 山东天泰股份有限公司 兰州中凯工贸有限责任公司 大连兴科碳纤维有限公司 山西煤化工研究所 威海拓展纤维有限公司 安徽华皖集团

吉研高科技纤维有限公司 吉林石化公司研究院

产能 5 10 25 60 40 100 800 10 40 200 10 10 产量 0 1 10 14 4 1 10 1 10 0 4 5 生产方法 DMSO二步法 国外原丝

美国、榆次DMSO原丝

NaSCN法原丝 国外原丝 NaSCN法原丝 国外原丝 DMSO法原丝 DMSO法原丝 DMSO法原丝 国外原丝 DMSO法原丝

规格 1K、3K 1K、3K 1K、3K 3K、6K 6K、12K 3K、6K 6K、12K 1K、3K 1K、3K 12K 12K 1K、3K

随着我国经济的快速发展，碳纤维需求与日俱增，虽然国际上一些公司开始向我国出售T300级原丝，但数量有限而且价格昂贵，极大地制约我国碳纤维及其复合材料在国防建设中高科技技术的应用。因此，自主研制生产高性能、高质量的PAN基碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，是我国碳纤维工业产业化发展亟待解决的问题。

江苏恒神纤维材料有限公司的T300级产品已通过国内外权威机构的检测，并具备年产千吨级的生产能力；今年11月11日在江苏丹阳举办的2011中国碳纤维及其复合材料产业（技术）发展研讨会上获悉，HF30（T700级）产品已成功研制，并通过国内第三方权威机构的检测，有望年底实现批量生产。 1.1.2 国外碳纤维生产状况

目前世界各国发展的主要是PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。世界PAN 基碳纤维生产厂商主要有日本Toray(东丽)、Toho(东邦)、Mitsubishi Rayon(三菱人造丝)，美国Hexcel(赫克塞尔)、Amoco(阿莫科)和Zoltek(卓尔泰克)等公司。沥青基碳纤维主要生产厂商有日本Mitsubishi Chem(三菱化学)、Kureha (吴羽)、Donac与美国Amoco 公司。PAN基碳纤维是当今世界碳纤维发展的主流，占世界碳纤维市场的90%以上。

国际上PAN基碳纤维的生产，从20世纪60年代起步，经过70～80年代的

稳定，90年代的飞速发展，到21世纪初其生产工艺技术已经成熟。起初，碳纤维主要用于军工和宇航，经过40余年的发展，其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大。现已发展成为大丝束碳纤维和小丝束碳纤维两大种类。大丝束碳纤维对前驱体要求较低，产品成本低，较适合于一般民用产品T-700及以下系列产品开发。小丝束碳纤维追求高性能，代表着国际碳纤维发展的先进水平。对于高性能PAN基碳纤维，美、日等发达国家均极为重视，在研发、生产方面给予经费、人力上的大力支持，并获得成功。特别是在日本，碳纤维工业已成为该国十大高技术产业之一。日本东丽、东邦及三菱人造丝三家公司是PAN基碳纤维(小丝束)的著名生产厂家。这三家公司依靠其多年来对纺丝工艺理论的精通和纺丝新技术的基础研究、应用研究和开发研究方面的丰硕成果，大量生产出高性能碳纤维，使日本迅速成为世界碳纤维强国，无论质量还是数量上均处于世界领先地位。东丽公司更是世界上高性能碳纤维研究、生产的“领头羊”。美国是继日本之后掌握碳纤维生产技术的少数几个发达国家之一，其碳纤维主要厂商为Hexcel、Amoco公司，它们与日本东丽、东邦及三菱人造丝公司为当今世界碳纤维的5大生产商。

PAN基大丝束碳纤维由美国Fortail和美国Zoltek公司商品化。世界主要生产大丝束(LT)碳纤维的厂家是美国阿克苏(AKZ0)、卓尔泰克(ZOLTEK)和阿尔笛拉(ALDILA)三大公司，其大K束的产量之和占世界LT总量的73.7%。值得注意的是日本东丽公司、三菱公司也开始大量生产24K及以上级别大丝束碳纤维。

1.2 碳纤维的物理性能

由于碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，特别是在2000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其它主要结构材料(金属及其合金)所无法比拟的。此外，碳纤维还兼有其它多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热膨胀系数低、X光穿透性高，非磁体但有电磁屏蔽性等。

1.3 碳纤维的生产工艺

聚丙烯腈基碳纤维是目前碳纤维发展的主流，占据主要市场份额，世界上几条著名的PAN基碳纤维生产线大多是从原丝开始，直到碳纤维以及中、下游产品开发。例如：日本东丽、东邦、三菱人造丝公司，美国的赫克利公司和阿莫科公司，以及中国台湾地区的台塑都是从聚合、纺丝开始，国外原丝主要生产工艺

路线见表1-2。

目前PAN基碳纤维的主要生产方法有硝酸法、硫氰酸钠法、DMF法和二甲基亚砜(DMSO)法等。

硝酸法操作不易控制，规模难以放大，安全性差，污染严重等，不具备工程化的条件。

硫氰酸钠法由于反应介质中含有大量的碱金属离子，对碳纤维原丝的质量影响较大，难以做出T300以上的更高强度的碳纤维产品。

DMF法可以做出很好的碳纤维产品，日本、台湾的企业，都有采用该工艺的成功经验，但由于DMF毒性较大，已经被限制使用。

二甲基亚砜(DMSO)法是目前国内外公认的最先进的工艺，DMSO腐蚀性小，可以靠简单的减压蒸馏提纯，日本东丽公司采用了该工艺。

表1-2 国外PAN基碳纤维原丝生产工艺

研制单位 日本东丽 日本东邦 美国BASF 日本三菱人造丝

溶剂 二甲基亚砜 氯化锌水溶液

二甲基乙酰胺 二甲基甲酰胺

日本爱克纶

英国考特尔兹 日本旭化成

NaSCN 二甲基甲酰胺 NaSCN 二甲基压砜

工艺路线 一步法 一步法

二步法 一步法 二步法 二步法 一步法 二步法

纺丝方法 湿纺 湿纺 熔纺 湿纺 湿纺 湿纺 湿纺 湿纺 干喷湿纺

1.4 碳纤维的产品形式

1.4.1 碳纤维编织材料

碳 纤 维 长 丝

织物 预浸料

双向预浸料(带、布)

束丝预浸料 二维织物 三维织物 多维织物

碳纤维纸

短切纤维

粒料 微纤(研磨) 各种浸渍物

镀、喷金属

短切复合纤维

包覆塑料

导线 电缆

碳纤维主要有四种产品形式：纤维、布料、预浸料坯和短切纤维。布料是指由碳纤维制成的织品；预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状；短切纤维指的是短丝。碳纤维产品形式及加工制品如上表1-3所示。 1.4.2 碳纤维增强复合材料

碳纤维增强复合材料主要包括：碳纤维增强陶瓷基复合材料，C/C复合材料，碳纤维增强金属基复合材料，碳纤维增强树脂基复合材料等，它们的主要用途见表1-4。

(1) 碳纤维增强陶瓷基复合材料

用碳纤维增强陶瓷可有效改善韧性，改变陶瓷脆性断裂形态，同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料，在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域广泛应用。

(2) C/C复合材料

它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成，主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种材料除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外，还具有较高的断裂韧性和假塑性。在高温环境中，强度高、不熔不燃，广泛应用于导弹弹头，固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等领域。

表1-4 碳纤维的主要用途及应用形态、种类

(3) 碳纤维增强金属基复合材料

碳纤维增强金属基复合材料具有高的比强度和比模量，高的韧性和耐冲击性能。目前碳纤维增强铝、镁基复合材料的制备技术比较成熟。

(4) 碳纤维增强树脂基复合材料 (CFRP)

它具有轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点，被广泛应用作结构材料及耐高温烧蚀材料。碳纤维增强树脂复合材料所用树脂基体主要分为两类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。

碳纤维增强热塑性塑料是指碳纤维为分散质，热塑性塑料为基体的纤维增强塑料。用碳纤维增强热塑性塑料近年来发展较快，其特点是：强度与刚性高，蠕变小，热稳定性高，线膨胀系数小：减摩耐磨，不损伤磨件，阻尼特性优良。

碳纤维增强热固性塑料是以热固性塑料为基体，以碳纤维及其织物为分散质的纤维增强塑料。碳纤维及其织物与环氧、酚醛等树脂制成的复合材料具有强度高、模量高、密度小、减摩耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小、导热率大，耐水性好等特点。

1.5碳纤维技术进展及发展趋势

1.5.1 技术进展

当前，PAN基碳纤维向两个方面发展：一是提高，二是普及。提高是指小丝束碳纤维(1～24K)的质量提高，普及是指大丝束碳纤维(48~540K)的产量大幅度增加，价格日趋下降。

随着航空航天飞行器各项性能的不断提高，对结构件用材料的性能要求也越来越高。国外碳纤维主要生产商都在积极地开发超高强度、超高模量的碳纤维。日本东丽公司已开发出高强型T1000系列碳纤维，其抗拉模量为295 GPa，拉伸强度达7.05 GPa，而高强高模MSJ型抗拉模量达640 GPa，抗拉强度为3.62 GPa。

在新工艺和新技术方面，日本三大公司和韩国cheil合成工业公司继承发明了PAN原丝至碳化等系统的新技术，其中三菱人造丝公司提出相当于T700性能水平碳纤维的PAN原丝指标。美国wilkinson公司也在研制PAN原丝，而英国国防安全部在研制中空碳纤维原丝及碳纤维。在预氧化、碳化方面，东丽最近发表了30K-100K PAN基大丝束的烧成方法，可以使长度较短的大丝束进行连续碳化。三菱人造丝发明的新型碳化炉，可抑制碳化反应生产的分解物附着和堆积于炉壁和纤维上，从而稳定高效地生产高强度高模量的碳纤维。东丽公司则研制一种三叶形断面的PAN原丝及碳纤维，可改进与树脂的粘合性、压缩强度和抗弯强度。

今后日本先进复合材料的发展方向是：在增强材料方面，进一步提高碳纤维的强度和模量，降低成本；在树脂基体方面，主要提高树脂的冲击后压缩强度和耐湿热性；在复合材料成型技术方面，进一步实现整体成型技术，固化监控、自动化技术及三维复合材料技术，同时提高复合材料性能和降低制造成本。

总的来讲，制备碳纤维的新技术可归纳为三大方面：

(1) 研究发展廉价原丝。在高性能碳纤维成本中原丝所占比例约为40-60%，国外从两方面降低原丝的成本，一是试探采用聚丙烯腈外的其它材料作为制备高性能碳纤维的原丝，包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯等其它聚烯类高分子材料以及木质素等；二是改进现有工艺聚丙烯腈原丝的技术，达到降低成本的目的，包括采用纺织用的聚丙烯腈、化学改性、辐照稳定化处理等。

(2) 研究发展新的预氧化技术。预氧化工序在高性能碳纤维成本中所占的比例约为15-20%，而且预氧化工序的时间也比较长。缩短生产周期，降低成本有重大现实意义。目前在预氧化方面的新思路是采用等离子技术。

(3) 研究发展新的碳化和石墨化技术。碳化和石墨化是制备高性能碳纤维的关键工序，在成本中所占比例约为25-30%，对产品的最终性能影响极大。在碳化和石墨化方面的新思路是采用微波技术。 1.5.2 最新碳纤维技术动向

PAN基碳纤维技术开发新方向包括：碳纤维性能的提高；基体树脂技术；成型技术三个方面。

(1) 碳纤维性能的提高

为了适应用途方面的性能提高，谋求强度、弹性模量及成本的平衡： PAN基碳纤维的抗压缩强度提高—通过把硼离子在高电压下进行加速照射，使结晶结构微细化，抗压缩强度可提高1.3-2.0倍；高弹性模量化—PAN基碳纤维弹性模量达到690 GPa，抗拉强度达到3.4 GPa；碳纤维的界面控制—为了提高耐冲击

性，使碳纤维和基体树脂的粘接平衡，对碳纤维界面进行表面处理；碳纤维价格降低。

(2) 基体树脂技术

低温固化的耐热性树脂；热熔融树脂；不燃树脂；碳纳米纤维配合碳纤维树脂预浸料，提高层间抗剥离强度和耐压缩强度。

(3) 成型技术

努力开发成型的高速化、低价格化、适应批量生产的成型技术及中间体材料。这些技术包括：

高速成型技术：树脂灌注成型、树脂膜灌注成型(RFI)、RTM成型、挤拉成型、高速缠绕(FW)成型、SMC/BMC成型等技术并进行积累。

带有数字控制(NC)的自动铺层法：在航空飞机部件的高压釜成型中，为了优先使曲面形预浸料铺层合理化和高速化，引入了带NC的自动铺层机。

全自动纤维分布：复合材料的成型材料(窄幅预浸料)被开发出自动铺层的先进装置。

非加热成型技术：由于电子射线和光固化为非加热成型技术，是低成本、高性能的大型结构复合材料的制造方法。

RTM成型技术的进化：把批量生产、低压、低温、强化纤维体积分数、方向、位置设定自由等特征为研发的意向。另外，因为补强材料、夹层芯材和嵌件一体成型的可行性，使船身等大型构件的成型成为可能。

ACM热成型体系：由连续纤维增强热塑性树脂基体的ACM片材的成型法。 1.5.3 发展趋势

当今世界碳纤维有如下发展趋势：产品性能趋向于高性能化；低成本化，价格将从2006年约40美元/公斤大幅度降低；航天航空和文体用品领域用量稳定增加，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，其价格将不断降低，民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋势。目前，碳纤维的市场需求在北美、欧洲、亚洲基本上呈鼎足之势。按应用领域划分，世界聚丙烯腈基碳纤维主要用于宇航、文体休闲用品、其它工业等领域，其总体消费比例分别为25.2%，31.4%，43.4%，不同地区各有侧重。

文体用品方面，目前碳纤维材料已从钓鱼竿和高尔夫球棒推广到网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、冰雪运动器材、水上运动器材等方面，需求量稳步、较快增长。其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品、约占该类产品的80%。

一般产业对碳纤维材料的应用发展比较迅速，包括基础设施的修复、更新和

加固；新能源开发如沿海油气田、深海油田的钻井平台、管道和缆绳等，以及风力发电机的螺旋桨和风叶；汽车的刹车系统、转动轴、车身以及环保汽车用的压缩天然气气瓶；电子领域的应用主要有通信、广播、地球观测、空间探测以及各种飞行器的高精度天线。一般产业的需求增长较快，将成为碳纤维新的主要应用领域。

1.6 重点应用领域分析

碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热等特性，属典型的高新技术产品，表1-5是几种碳纤维材料的性能比较。主要用于制备先进复合材料(ACM)，已广泛应用于宇航、体育用品领域、工业领域、交通运输领域及土木建筑领域。鉴于近年军事工业上应用的萎缩、碳纤维成本的降低及先进低成本制造复合材料技术的突破，碳纤维复合材料在建筑、工业、交通运输等方面的应用便成为研究开发的热点，并取得了一定的突破性进展。

表1-6世界碳纤维按应用领域需求的统计 t

年份

航空航天

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

按应用领域对碳纤维的需求 运动休闲 4690 4670 5012 5081 5101 5135 5097

工业应用 10520 11490 11741 12858 13604 15280 17003

总计 17900 18300 19210 20680 21920 24190 26270

2690 2140 2457 2741 3215 3775 4170

2008 2009 4741 5201 5107 5104 17892 19205 27740 29510

表1-6表明在2001-2010年期间，工业应用领域的需求为首位，次之是航天航空领域，最后是运动休闲领域。 1.6.1 航天航空

在宇航领域，由于碳纤维重量轻，刚性、尺寸稳定性和导热性好，高模量碳纤维很早便应用于人造卫星中。碳纤维在宇航上的应用主要在固体火箭发动机壳体和喷管上。2002年，在宇航领域中碳纤维的需求量大约是4000 t，其应用分布：北美为2500 t，高达62.5 %；欧洲和亚洲分别为1260 t和240 t，分别占26.1 %和4.2 %。据报道，全球碳纤维在航空航天领域中需求增长速度最快，2003-2006年其年均增长率为85%，至2009年以后3年中，仍可保持每年73%的增长速率。在飞机制造方面，小型商务机和直升飞机的复合材料用量已占70%一80%，军用机30%一40%，大型客机15%一20%。碳纤维在飞机上的比例已从原来的10%-20%上升至50%-80%。

(1) 在民用大型客机方面，波音和空中客车公司两大飞机制造商大量采用复合材料。A380客机使用复合材料达25-30 t/架，其中85%是碳纤维增强复合材料(CFRP)。中等尺寸规格的A350飞机中占总质量52%的结构组件将采用复合材料来制造，主要是碳纤维增强塑料材料，B787每架需碳纤维23 t。表1-7为东丽公司用于大型客机的CF性能。

表1-7 日本东丽公司航空用CF技术特征

抗拉强力

CF型号 T300 T300T T400H T700G T800H T800S 规格 1K 3K 6K 12K 3K 6K 12K 3K 6K 12K 24K 6K 12K 24K (Mpa) 3530 4210 4410 4900 5490 5880 (Gpa) 230 230 250 240 294 294 中等抗拉摸量 标准抗拉摸量 抗拉摸量

类别

自2005年碳纤维复合材料在B-777飞机上的成功应用以来，全球范围掀起碳

纤维复合材料热潮，欧美大型飞机加快了使用复合材料的步伐，新设计、生产或投入使用的飞机，大量使用碳纤维复合材料。据2006年联合证券研究所调研数据表明，2005-2010年大型运输机碳纤维使用情况见表1-8:

表1-8 2005～2010年欧美投入使用运输机复合材料应用情况

复合材料

机型

首飞

结构重量比(%)

A380 A400M

2005.4 2008.1

25 34-40

单机碳纤维用量(KG) 36000 —

555-8000 3人 有效载荷37 t 245(A350-800)

A350

2010

39

17000

285(A350-900)

B787 B747-8

2007中 2009

50 —

35000 —

220-290

5 266-329 —

—

—

1500

机身、机翼

190 125-15

—

机翼

—

机身、机翼

乘员/人

订货数(架) 154

碳纤维年用量(T) 1000

机尾 复合材料主要应用部位

波音公司和空中客车公司为了抢占世界飞机制造市场，投入大量人力和资金开发新型客运飞机，大量使用高性能复合材料。目前两大飞机公司飞机使用复合材料增长情况见下图。由图可知，新型飞机中复合材料材料的比例逐年增加，波音787客机达到全机结构质量比的50%，空中客车A350客机也达到了全机机构质量比的40%。

波音、空中客车公司民航机和运输机复合材料使用情况

(2) 除了民用大型客机方面，另一大领域就是碳纤维在军用飞机制造方面的应用。根据2001-2005年总的统计，美国国防空军对碳纤维需求量详细见表2-37。除了美国外，中国人大会议最近批准了400亿美元的军费开支，军机数量在上升。洛克希德马丁公司战胜波音被选为联合战斗机的制造商，3000架战斗机总值为2000亿美元。因此，可以预计中、长期碳纤维在航天航空领域仍会有一定增长。 1.6.2 体育休闲用品

文体用品领域对碳纤维的需求，2003-2006年的年均增长率为42%，至2009年以后三年中，预计年均增速为46%。2003年和2004年世界碳纤维总消耗量分别为19210 t和20680 t，而用于体育休闲用品的碳纤维都超过5000 t，占世界碳纤维总消耗量的25%左右。体育用品使用碳纤维绝对数量仍在增加，根据美国体育用品制造商协会的最新统计数据，美国市场体育用品设备销售在2006 年总额约250 亿美元，这还不包括鞋子、机动车辆和举重器材。大量使用碳纤维复合材料的产品是高尔夫球槽、球拍、雪橇、滑雪板、曲棍球棒、钓鱼竿和自行车。生产上述7 种产品，制造商在2006 年的复合产品消费量估计为6710 吨左右。按此计算，2006年体育用品制造业所用的碳纤维占全球消费量的24%左右。但是，同过去相比，体育用品的碳纤维使用量占全球使用量的比例在逐渐降低，2004 年体育用品碳纤维用量占了大约31%。不过，体育用品使用碳纤维的绝对数仍在增加，在未来几年内，每年的增长预计平均为4.3%，到2009 年或2010 年，使用量将有可能超过唱片业的水平。据估计，全球每年的高尔夫球棒的产量为3400万付，主要产自美国、中国、日本和中国台湾省；全球碳纤维钓鱼竿的产量每年约2000万付；网球拍框架的市场容量约为每年600万付。碳纤维在其他体育项目的应用还包括冰球棍、划船、赛艇、冲浪器械等。 (1) 自行车

自行车是人们日常生活的必须用品。目前，全球的自行车中，高级自行车和特别用途登山车约占5%，成为CFRP民用的一个重要方面。高级自行车的车构架、前叉部件、车轮、曲轴、以及座位支架等均可使用CFRP材料，比例可达30%～40%。CFRP赋予了车体良好的刚性和减震性能，同时可实现轻质化。Trek公司的一款SSL型自行车采用克重为55g/m2的碳纤维制品制成的车架重量仅为950g；法国Salomen SA 采用100%CFRP材料加工自行车轮，生产周期短，制造成本低。表1-9为全球不同领域对碳纤维需求的统计和预测，到2010年全球在自行车领域对碳纤维的需求量推测为1183吨。

表1-9 日本东丽(TORAYCA)对全球自行车领域的碳纤维用量统计与预测

年份 预测用量(吨) 实际用量(吨) 该公司用量(吨)

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2015 755 691 11

859 819 38

966 --- 69

1077 1183 1297 1408 1686 --- ---

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(2) 游艇

CFRP材料已进入商用船只制造业，在救生艇、巡逻艇及休闲游艇等方面吸引了众多消费者的注意。使用CFRP可降低艇体重量，延长使用寿命，节约能源，降低游艇的运营成本。一艘用铝作为结构材料、质量为18吨的游艇，改用碳纤维复合材料可减轻9吨，再加上动力系统质量的减轻，与铝材相比整体可减重11吨，这可大大提高航海项目的安全性和可操作性。大型港口内的业务运营中，选择使用CFRP巡逻艇可降低船体重量，提高船的可操作性，在挪威港口运营中CFRP客运船已投入商业化运作。

德国CENTA Antriebe kirschey 公司采用由碳纤维管材料制成的轴系联轴器驱动轴驱动轴，能够轻而易举地达到减轻传动部件重量的目的，其主要优点：明显地减轻了驱动轴的重量—与坚硬的钢质轴相比较，碳纤维轴的重量明显地减轻了约70%，这其中包括复合管端部必要的金属部件，其实仅碳纤维管本身的重量的确很轻；临界速度高，由于转速是设定的，故使用碳纤维轴的优点体现在长的推进轴系上。长轴系上通常不需要布置轴承，至少减少了轴承的数量，这样就降低了成本，减轻了轴系，减少了部件，而且还节省了轴承支撑件的成本以及减轻了重量；长寿命、低噪声、无腐蚀、无磨擦、免维修、不导电、无磁性。自1996年以来，已经交付了近100根碳纤维轴用于船舶推进系统，绝大多数都用在高速渡轮上，但有些也用于军船、巡逻艇、豪华游艇、赛艇、挖泥船和泵站上。 1.6.3 汽车工业

汽车零部件轻量化，小型化已成为未来汽车工业发展的重要课题。汽车轻量化使得汽车油耗降低，大大降低了汽车的使用成本，也使总的能耗大大降低了。据资料介绍，汽车自重减轻100公斤，行驶100公里，可节省油0.3公斤。自重减轻10%，燃油经济性可提高10%。目前在汽车工业中应用复合材料的有：驱动轴，车身，车门，横梁，油箱，悬臂梁，钢板弹簧，减速器，变速器支架，座位架，行李箱板和方向盘等。据悉，福特和保时捷生产的GT型赛车发动机机罩已全部采用碳纤维材料；奔驰的57S型轿车原来内装饰全部以碳纤维替代；通用

的雪佛莱轿车底盘的内装饰材料也采用碳纤维；宝马公司将M6型轿车的顶篷全部采用碳纤维等。 1.6.4 一般工业应用

近几年，一般工业应用领域对碳纤维的需求不断增长。在能源和贮能方面，如在风力发电叶片、飞轮、电池、油气开采、压力容器等领域上的应用不断扩大。据报导，制备注射和模压用的粒料消耗的碳纤维高达2700 t，主要用于生产手机、计算机、办公设施等。碳纤维还可以应用于供温室吸附与分离气体用的新型碳基装置，在环保领域具有广阔的发展前景。除了以上用途，一些新兴用途，如土木建筑的补强加固材料，航海构件，电磁屏蔽材料和静电消散材料等方面的应用也在增加。