碳纤维研究与应用 碳纤维作为高性能材料，在众多领域发挥关键作用，当前研究日益深入。碳纤维是一种含碳量超过90%的无机高分子纤维，具有高强度、高模量等特点，被广泛应用于航空航天、军事、汽车、风电等领域。随着科技的不断进步，碳纤维的制备技术也在不断提高。 2022年国产碳纤维供应量达到4. 5万吨，首次高于进口量，预计2024年将达10. 1万吨。 市场规模方面，2022年中国碳纤维市场规模为128. 1亿元，同比增长20. 69%,2024年预计将达171. 4亿元。 碳纤维被誉为“工业黄金”“新材料之王”，具有比强度高、比模量高、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温等特点，是航空航天、国防军工、交通、新能源、海洋工程等领域不可或缺的重要战略材料。 其轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好。比热及导电性介于非金属和金属之间。 热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。 碳纤维的发展不仅推动了材料科学的进步，也为各个领域的技术创新提供了有力支持。 1、研究开发目的 碳纤维作为一种高性能材料，具有众多独特的特性。其含碳量超过90%,强度高、模量高。是钢的数倍甚至数十倍。如通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa)、模量为100GPa左右，高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa)和高模型（模量300GPa 以上），强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。 碳纤维的热膨胀系数小，在零下100℃到100℃之间，其尺寸基本保持不变。导热性好，接近钢铁。 可作为大阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。具有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。 对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性，不溶不胀，完全不存在 生锈的问题。耐磨性好，与金属对磨时，很少磨损，已作为飞机和汽车的刹车片材料。 耐高温性能好，在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时仍无太大变化。 2、碳纤维制备工艺 碳纤维的生产工艺复杂，主要包括拉丝、牵伸、稳定、碳化、石墨化等步骤。 拉丝是把原材料分离成纤，属于物理变化。 牵伸结合定向纤维的拉伸效应，是PAN纤维高模量、高强化、致密化和细化的关键步骤。 稳定通过400℃加热氧化使热塑性PAN线形大分子链转化为非塑性耐热梯形结构。 碳化在温度1000到2000℃,将PAN中非碳元素去除，生成含碳量90%以上的具有乱层石墨结构的碳纤维。 石墨化在温度2000到3000℃.将无定型、乱层结构的碳化材料向三维石墨结构转化，提高碳纤维模量。 3、碳纤维应用领域 碳纤维的应用前景广阔。在航空航天领域，碳纤维的用量常被作为衡量航空航天装备水平的重要标志，可用于飞机、卫星、火箭等的制造，还能帮助产品减小噪声、节约燃料。 在汽车和风电领域，碳纤维成为提升性能的利器，可用于汽车制造提升汽车性能，在风电设备方面，叶片主梁使用大丝束碳纤维能降低叶片重量，增加叶片刚度，提高机组发电效率和穗定性。 在体育运动装备制造中，碳纤维能帮助运动员突破极限，创造新纪录。全面剖析碳纤维的特性、生产工艺及应用前景，有助于推动碳纤维技术的不断进步和应用领域的拓展，为其未来发展提供理论支持。
