碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。碳纤维主要被制成碳纤维增强塑料这种复合材料来应用。
每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5滋m～8滋m。在原子层面的碳纤维跟石墨很相近，由一层层以六角型排列的碳原子构成。碳纤维与石墨两者的差别在于层与层之间的连接。石墨是晶体结构，它的层间连接松散，而碳纤维不是晶体结构，层间连接是不规则的，这样可防止滑移，增强物质强度。
一般碳纤维的密度为1750kg/m3，导热能力高但传电能力低，碳纤维的比热容量亦比铜低。当加热的时候，碳纤维会变厚、变短。虽然碳纤维的天然颜色是黑色，但科学家可以把它染成不同的颜色。
我国碳纤维产品市场现状
我国碳纤维的生产和使用尚处于起步阶段,，国内碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4％左右，国内用量的90％以上靠进口。而PAN原丝质量一直是制约我国碳纤维工业规模化生产的瓶颈。另外，碳纤维长期以来被视为战略物资，发达国家一直对外实行封锁。因此,业内专家认为，强化基础研究是创新之本，是发展国内碳纤维工业的根本出路。
我国早在上世纪六七十年代就开始了碳纤维的研究工作，几乎与世界同步。经过30多年的努力，已经研制出接近日本东丽公司T300水平的碳纤维产品，但产量和品质都远不能满足国内需求，与国外差距甚远。与国际先进水平相比，国产碳纤维的突出问题是碳纤维强度低，均匀性和稳定性都较差，发展水平比发达国家落后了近20年～30年，而且生产规模小，技术设备落后，生产效益不理想。
目前全球碳纤维产能约3.5万吨，我国市场年需求量6500吨左右，属于碳纤维消费大国，但我国碳纤维2007年产量仅200吨左右，而且主要是低性能产品，没有形成规模化产业，绝大部分依赖进口，价格非常昂贵，比如标准型T300市场价格每千克曾高达4000元~5000元。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，国内企业目前尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。我国碳纤维的质量、技术和生产规模与国外差距很大，其中高性能碳纤维技术更是被日本及西方国家垄断和封锁。因此碳纤维要真正实现国产化需要一个漫长的过程。由于市场短缺，近年来国内出现了“碳纤维热”，众多科研院所和企业纷纷启动了碳纤维研究或千吨级产业化项目。虽然当前国内市场对碳纤维产品需求较大，但盲目发展低于档次品类存在很大风险，尤其现有产品研发停滞不前，不能开发出新型配套系列产品，这些千吨级项目实施后，市场产能出现过剩趋势将成为必然。
从价格角度分析，目前碳纤维国际市场供不应求，国内价格居高不下，而且在我国，碳纤维应用领域越来越广泛，已从军用向民用领域快速渗透。从投资角度分析，大量资本，特别是民营资本的高度关注，在很大程度上激活了这一产业，极大地提高了碳纤维产业的活跃程度，民营资本的进入为加快碳纤维产业化进程发挥了积极而重要的作用，使国内碳纤维的产业化研究不断深入。到目前为止，我国已建立起相对完整的十分级、百分级甚至千分级碳纤维产业研发的配套体系。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，生产能力为2t/a，20世纪80年代开展了高强型碳纤维的研究，于1998年建成一条新的中试生产线，规模为40t/a。中科院山西煤化所、上海合纤所、北京化工大学、山东工业大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等科研机构及院校参与了碳纤维项目的研究与开发。目前，国内小规模PAN基碳纤维生产企业和科研院所共10余家。
国内企业不再照搬国外现成的技术，关键设备也在加快研发，某些关键设备的研发已取得了突破性成果，而且原材料供应充足。我国碳纤维产业技术特点十分明显，技术多元化越来越受到重视。从2000年开始，我国已完全放弃了硝酸法原丝技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术。目前，国产碳纤维百分级产品能与日本东丽的T700相媲美。可以说，我国多年来碳纤维产、学、研相结合研发的技术成果已不逊色于东丽的相应技术。在我国完整的碳纤维研发链条下的碳纤维工程化研发出现了加速发展的势头。吉林、山东、江苏、山西、辽宁、安徽是我国传统的碳纤维工程化研发的基地，而近年来，河北、上海、陕西逐步成为新兴的碳纤维工程化研发基地，有越来越多的企业加入到工程化研发与建设中来。同时，北京、广东、浙江、江苏也积极参与了碳纤维的产业化建设。
我国碳纤维主要生产企业
华皖碳纤维，国家已批准在安徽蚌埠建立500t／aPAN原丝和200t／a碳纤维生产线，总投资过亿元。PAN原丝采用亚砜一步法，技术由国外引进；产品以12K的T300级碳纤维为主，并准备引进成熟的预浸料生产线。华皖集团(原蚌埠灯芯绒集团公司)二期建设规模将使碳纤维产量翻一番，达到400t／a，下游产品的开发也列入发展规划。
中宝碳纤维责任有限公司在浙江嘉兴。拟建400t／a大丝束碳纤维生产线，部分引进技术和设备，投资数亿元，并配套300万m2预浸料。该项目国家已批准，并积极开展了前期论证和考察工作。根据国内外市场动向及投资与回报等因素，暂缓建立碳纤维生产线，而集中力量开发预浸料等下游产品。同时，还成立了浙江省碳纤维工程技术研究开发中心，全面推进碳纤维事业。
山东威海光威渔具集团有限公司主要从事钓竿生产，碳纤维预浸布的规格有30余种，根据发展趋势，有可能向上游即PAN基原丝和碳纤维发展。此外，山东省东营生产力促进中心也在考虑招商引资建立碳纤维生产线，认为石油等工业是碳纤维的潜在市场。
北京化工大学与吉化公司树脂厂，将依靠自己的技术建立500t/a原丝和200t/a碳纤维生产线。放弃硝酸法，采用亚砜一步法技术路线生产原丝。目前，正在进行中试实验。
中钢集团吉林炭素股份有限公司是我国小丝束碳纤维生产基地，已向用户提供50余吨小丝束碳纤维。目前，该厂正在建立新的小丝束碳纤维生产线，扩大产量，以满足市场需求。
中科院山西煤化所研制碳纤维已有30多年历史，上世纪70年代中期，建成我国第一条纤维中试生产线；在90年代末期，又建成我国第一条吨级粘胶基碳纤维生产线。目前该所与扬州聚酯责任有限公司共建碳材料联合实验室，研制高性能PAN基碳纤维，并准备在扬州建立产业化基地。此外，山西榆次化纤厂是我国唯一用亚砜一步法生产PAN基原丝达数十年的单位，目前仍在生产。
从以上信息可以看出，当前发展态势有以下几个特点：投入力度大；规模大；参与单位多，特别是大企业的参与；起点高，采用多项新技术、新工艺；自动化程度高，工控、程控在线配套使用；逐步建立起质量控制和质量检测方法，特别是在线检测。
碳纤维新产品开发
骨骼组织医用材料利用经过化学方法处理过的碳素纤维，修补或置换骨骼组织一段时间后，碳素纤维会被一层具有类似真正软骨机能特点的组织所覆盖，可降低人造骨骼或组织在植入人体后的排斥问题，但是较脆易断问题仍有待解决。另一项新产品为以液压为动力的碳素纤维人工膝关节，虽然其外表不太美观，但在速度、力量与灵活性方面并不比真的肌肉与骨骼差。
电脑断层扫描机的感应器是由内装10大气压氦气的密封箱所构成，利用X射线将氦气激发成电离子，电脑再由氦电离子数量的计测描绘出人体的断面影像。氦气压力愈高，断面影像愈清晰，但机器壁愈厚，X射线的减衰愈大，所能激发的氦气也愈少，影像效果因而变差。如果压力容器由碳素纤维复材制成，软X射线领域的减衰可降为1/10，性能将大为提升。
现行锂电池的集电体大都采用金属铝或铜，因而在缠绕使用时容易发生破裂。为了解决这一问题，采用在碳素纤维中加入金属来制造集电体(三菱材料)。其正极的集电体采用铝与碳素纤维，负极的集电体采用铜与碳素纤维的混合物。其次，二次锂电池中碳薄膜是正极或负极的重要材料，因碳薄膜的种类决定了二次锂电池的功率、充放电效率及寿命。
燃料电池使用氢气作为燃料，其关键材料在于纳米碳管(Nanotubes，或称为纳米碳素纤维Nanofi鄄bres)。纳米碳管是由石墨中一层(单壁)，或若干层碳原子(多壁)卷曲而成的管状纤维，比重只有钢的1/6，而强度却是钢的100倍，若连接成绳索，并不会被自身重量所拉断，管内可以充填其他物质或吸收氢气，也可以用来发射电子，运用于二极体。1997年由NortheasternUniversityBoston合成的纳米碳管，据称可以储存相当自身重量70%的氢气，但因制造资料没有公布出来而广受质疑。燃料电池用的纳米碳管只有10纳米宽，使得电池体积可缩小至普通电池的1/16，却是目前世界上超大级功率的电池。现在的电动汽车使用普通电池，充电一次可跑144km，且产品寿命只能充电200次，而纳米碳素纤维电池充电一次至少可以跑4000km，且可充电1200次以上。
以混有碳素纤维和玻璃纤维的树脂，来制造移动电话、个人数位助理等携带式资讯器材机壳材料，以取代镁材质之机壳，已是电子产品新趋势之一。而最先利用碳纤维材料于笔记本电脑机壳上的是IBM公司的ThinkPad600、570、240与A20，其资料显示，碳纤维强韧性是铝镁合金的两倍，且散热效果良好。
预测未来10年碳纤维的需求量将持续增加，工业用与运动休闲用领域依然为市场主流，而呈两极化发展的碳纤维产品中(高弹性率产品及高强力产品)，以高强力纤维的成长较为看好。但由于厂商间竞争激烈，低价格化已成趋势。 |
