文/美特高分子 milanonly

碳纖維其實就是一種含碳量在95%以上的纖維材料。也就是說，碳纖維的主要元素是碳。它由片狀石墨微晶等有機纖維，沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維不是什麼新型材料，但是目前在汽車上的應用也不太多，更多的情況是人們在汽車外殼貼上仿碳纖維貼膜。目前的碳纖維車身主要還是用于高端汽車以及賽道汽車上面，典型的就是寶馬的i3就用的是全碳纖維的車身，另外很多方程式賽車為了減重也有大量的部件用了碳纖維的材料。就目前而言，碳纖維的成本對于應用碳纖維是一個較大的限制。下面說一下碳纖維車身的特點。

①重量輕

研究表明，車身重量每減小10％，油耗降低6％～8％，排放降低5～6%, 0-100km/h加速性提升8-10%，制動距離縮短2～7米。而且車身輕量化還可以提升汽車的操控穩定性。碳纖維最大的優點，就是重量不到鋼的1/4，比金屬鋁還要輕，是實現“輕量化”的完美材料。比鋁輕30%、比鋼輕50%。如果汽車的鋼材部件全部由碳纖維複合材料置換，車體重量可減輕300公斤。

②強度高

碳纖維的強度是鐵的20倍，而且是在2000℃高溫下唯一一種強度不會下降的物質，極佳的沖擊吸收能力是普通金屬材料的4-5倍。同樣截面積的材料，碳纖維可以承受的力超過鋼材好幾倍。碳纖維應用在半軸和傳動軸上，能夠達到更優的傳動效率。除此以外，碳纖維不同于金屬，擁有耐疲勞、耐腐蝕的特性，車輛的碳纖維元件在正常使用下，擁有更長的壽命。

③缺點

但碳纖維材料的一大缺點就是其可塑性差，這主要是因為鋼鐵等金屬材料有延展性，可以發生大的變形而不破壞，而碳纖維複合材料不具備這個特性。所以它強烈撞擊後會碎，不能修複隻能更換，成本較高。這也是為什麼隻有超跑和F1賽車才會采用碳纖維車身的原因。

總體來說，碳纖維材質在性能層面的表現要遠好過鋼材，同等條件下碳纖維車身能給車輛帶來安全性、操控性、燃油經濟性、耐久性等全方位的提升。我們就坐等碳纖維材料成本下降，家用車也能“用得起”這種頂級材質。據說，寶馬i3是用碳纖維的最便宜的車，可千萬别撞着它。

碳纖維生産工藝

可以用來制取碳纖維的原料有許多種，按它的來源主要分為兩大類，一類是人造纖維，如粘膠絲，人造棉，木質素纖維等，另一類是合成纖維，它們是從石油等自然資源中提純出來的原料，再經過處理後紡成絲的，如腈綸纖維，瀝青纖維，聚丙烯腈(PAN)纖維等。

經過多年的發展，目前隻有粘膠(纖維素)基碳纖維、瀝青纖維和聚丙烯腈(PAN)纖維三種原料制備碳纖維工藝實現了工業化。

1.粘膠(纖維素)基碳纖維

用粘膠基碳纖維增強的耐燒蝕材料可以制造火箭、導彈和航天飛機的鼻錐及頭部的大面積燒蝕屏蔽材料、固體發動機噴管等，是解決宇航和導彈技術的關鍵材料。粘膠基碳纖維還可做飛機刹車片、汽車刹車片、放射性同位素能源盒，也可增強樹脂做耐腐蝕泵體、葉片、管道、容器、催化劑骨架材料、導電線材及面發熱體、密封材料以及醫用吸附材料等。

雖然它是最早用于制取碳纖維的原絲，但由于粘膠纖維的理論總碳量僅44.5%，實際制造過程熱解反應中，往往會因裂解不當，生成左旋葡萄糖等裂解産物而實際碳收率僅為30% 以下。所以粘膠(纖維素)基碳纖維的制備成本比較高，目前其産量已不足世界纖維總量的1%。但它作為航空飛行器中耐燒蝕材料有其獨特的優點，由于含堿金屬、堿土金屬離子少，飛行過程中燃燒時産生的鈉光弱，雷達不易發現，所以在軍事工業方面還保留少量的生産。

2.瀝青基碳纖維

1965年，日本群馬大學的大谷杉郎研制成功了瀝青基碳纖維。從此，瀝青成為生産碳纖維的新原料，是目前碳纖維領域中僅次于PAN基的第二大原料路線。大谷杉郎開始用聚氯乙烯(PVC)在惰性氣體保護下加熱到400℃，然後将所制PVC瀝青進行熔融紡絲，之後在空氣中加熱到260℃進行不熔化處理，即預氧化，再經炭化等一系列後處理得到瀝青基碳纖維。

3.聚丙烯腈（PAN）基碳纖維

PAN基碳纖維的炭化收率比粘膠纖維高，可達45%以上，而且因為生産流程，溶劑回收，三廢處理等方面都比粘膠纖維簡單，成本低，原料來源豐富，加上聚丙烯腈基碳纖維的力學性能，尤其是抗拉強度，抗拉模量等為三種碳纖維之首。所以是目前應用領域最廣，産量也最大的一種碳纖維。

聚丙烯腈基碳纖維的生産主要包括原絲生産和原絲碳化兩個過程。

原絲生産過程主要包括聚合、脫泡、計量、噴絲、牽引、水洗、上油、烘幹收絲等工序。

碳化過程主要包括放絲、預氧化、低溫碳化、高溫碳化、表面處理、上漿烘幹、收絲卷繞等工序。

在一定的聚合條件下，丙烯腈（AN）在引發劑的自由基作用下，雙鍵被打開，并彼此連接為線型聚丙烯腈（PAN）大分子鍊，同時釋放出17.5kcal/mol的熱量，即生成的聚丙烯腈(PAN)紡絲液經過濕法紡絲或幹噴濕紡等紡絲工藝後即可得到PAN原絲。PAN原絲經整經後，送入1#預氧化爐、2#預氧化爐制得預氧化纖維（俗稱預氧絲）；預氧絲進入低溫炭化爐、高溫炭化制得碳纖維；碳纖維經表面處理、上漿即得到碳纖維産品。全過程連續進行，任何一道工序出現問題都會影響穩定生産和碳纖維産品的質量。全過程流程長、工序多，是多學科、多技術的集成。

均聚PAN的玻璃化溫（Tg）為104℃，沒有軟化點，在317℃分解，共聚PAN的Tg大約在85~100℃範圍内，共聚組分不同、共聚量的差異，使Tg随之變化。共聚含量越多，Tg越低。預氧化的溫度控制在玻璃化溫度和裂解溫度之間，即200~300℃之間。預氧化的目的是使熱塑性PAN線形大分子鍊轉化為非塑性耐熱梯形結構，使其在炭化高溫下不熔不燃、保持纖維形态，熱力學處于穩定狀态。預氧化的梯形結構使炭化效率顯著提高，大大降低了生産成本。同時，預氧絲（預氧化纖維OF）也是一種重要的中間産品，經深加工可制成多種産品，直接進入市場，并已在許多領域得到實際應用。

PAN原絲經預氧化處理後轉化為耐熱梯形結構，再經過低溫炭化（300~1000℃）和高溫炭化（1000~1800℃）轉化為具有亂層石墨結構的碳纖維。在這一結構轉化過程中，較小的梯形結構單元進一步進行交聯、縮聚，且伴随熱解，在向亂層石墨結構轉化的同時釋放出許多小分子副産物。同時，非碳元素O、N、H逐步被排除，C逐漸富集，最終形成含碳量90%以上的碳纖維。

另外，通過對碳纖維的進一步石墨化還可以獲得高模量石墨纖維或高強度高模系列的高性能碳纖維。即在2000~3000℃高的熱處理溫度下牽伸石墨化，使碳纖維由無定型、亂層石墨結構向三維石墨結構轉化。

對于碳纖維來說，預氧化時間為近百分鐘，炭化時間為幾分鐘，石墨化時間較短，一般隻有幾秒到數十秒。

國際碳纖維行業發展

日本是全球最大的碳纖維生産國，日本的三家企業：日本東麗、日本東邦和日本三菱麗陽目前擁有全球丙烯腈基碳纖維 50%以上的市場份額。目前，世界碳纖維技術主要掌握在日本公司手中， 其生産的碳纖維無論質量還是數量上均處于世界領先地位，日本東麗更是世界上高性能碳纖維研究與生産的 “ 領頭羊” 。碳纖維最成熟的技術在日本。

美國是繼日本之後掌握碳纖維生産技術的少數幾個發達國家之一，同時又是世界上最大的丙烯腈基碳纖維消費國，約占世界總消費量的 1/3。

世界碳纖維的生産主要集中在日本、 美國、 德國等少數發達國家和我國的台灣省。其中， 碳纖維最大生産商日本東麗、 日本東邦、 日本三菱麗陽的産量合計占全球産量的一半以上。

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