碳纤维（Carbon Fiber）
概述
碳纤维是由有机纤维（主要是聚丙烯腈PAN）经预氧化和碳化而成的含碳量90%以上的高性能纤维。碳纤维具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀等优异性能，被誉为"新材料之王"。碳纤维主要以碳纤维增强复合材料（CFRP）的形式使用，广泛应用于航空航天、新能源、体育用品等领域。
基本特性
| 指标 |
数值 |
说明 |
| 密度 |
1.75-1.95g/cm³ |
钢的1/4-1/5 |
| 拉伸强度 |
3.0-7.0GPa |
高强型更高 |
| 拉伸模量 |
230-600GPa |
高模型可达900GPa |
| 断裂伸长率 |
0.5-2.4% |
低伸长 |
| 耐温（非氧化） |
3000°C+ |
真空或惰性气氛 |
| 耐温（氧化环境） |
450-500°C |
需惰性保护 |
| 热膨胀系数 |
-0.1~1.0×10⁻⁶/°C |
近零膨胀 |
| 导热系数 |
5-100W/(m·K) |
可调 |
| 电阻率 |
1.5×10⁻³ Ω·cm |
可导电 |
| LOI |
55-65% |
不燃 |
分类
按原料分类
| 类型 |
原料 |
碳化温度 |
产量占比 |
特点 |
| PAN基 |
聚丙烯腈 |
1000-3000°C |
~90% |
主流产品 |
| 沥青基 |
各向同性沥青 |
1000-2800°C |
~8% |
高模量 |
| 黏胶基 |
黏胶纤维 |
1000-1600°C |
<2% |
低密度、耐烧蚀 |
按性能分类（PAN基）
| 类型 |
拉伸强度(GPa) |
拉伸模量(GPa) |
代表产品 |
| 高强度型（HT） |
4.0-5.5 |
230-300 |
T300、T700 |
| 高模量型（HM） |
3.5-4.5 |
350-600 |
M40、M60 |
| 高强高模型（IM） |
4.5-6.5 |
300-450 |
T800、T1000 |
| 超高性能型 |
6.5-9.0 |
300-400 |
T1100 |
主要产品型号
| 型号 |
拉伸强度(GPa) |
拉伸模量(GPa) |
伸长率(%) |
丝束规格 |
| T300 |
3.53 |
230 |
1.5 |
1K/3K/6K/12K/24K |
| T700S |
4.90 |
230 |
2.1 |
12K/24K |
| T800H |
5.49 |
294 |
1.9 |
12K/24K |
| T1000G |
6.37 |
294 |
2.2 |
12K/24K |
| T1100G |
7.00 |
324 |
2.2 |
18K |
| M40J |
4.41 |
377 |
1.2 |
6K/12K |
| M60J |
3.92 |
588 |
0.7 |
6K/12K |
生产工艺
PAN基碳纤维
丙烯腈（AN）→ 聚合 → 纺丝（PAN原丝）
→ 预氧化（200-300°C，空气中，数小时）
→ 低温碳化（300-1000°C，N₂气氛）
→ 高温碳化（1000-1600°C，N₂气氛）
→ 石墨化（1600-3000°C，Ar气氛，可选）
→ 表面处理 → 上浆 → 卷绕 → 成品
关键工艺参数
| 工序 |
温度 |
气氛 |
时间 |
目的 |
| 预氧化 |
200-300°C |
空气 |
1-3小时 |
形成耐热结构 |
| 低温碳化 |
300-1000°C |
N₂ |
— |
脱除非碳元素 |
| 高温碳化 |
1000-1600°C |
N₂ |
— |
形成碳结构 |
| 石墨化 |
1600-3000°C |
Ar |
— |
提高模量 |
主要用途
| 应用领域 |
用途 |
使用形式 |
用量占比 |
| 航空航天 |
飞机结构件、航天器 |
CFRP |
~25% |
| 风力发电 |
风电叶片 |
CFRP/混合 |
~25% |
| 汽车工业 |
轻量化车身、底盘 |
CFRP |
~15% |
| 体育用品 |
自行车、球拍、钓竿 |
CFRP |
~15% |
| 建筑加固 |
桥梁加固、补强 |
CFRP片材 |
~10% |
| 电子电气 |
手机壳、笔记本壳 |
CFRP |
~5% |
| 压力容器 |
氢气瓶 |
CFRP |
~5% |
航空应用实例
- 波音787：复合材料占机体重量50%（其中碳纤维CFRP占主要部分）
- 空客A350：复合材料占53%
- C919：复合材料占12%（未来机型将增加）
全球市场与价格趋势（2024-2026）
主要生产企业
| 排名 |
企业 |
国家 |
产能（万吨/年） |
主要产品 |
| 1 |
Toray（东丽） |
日本 |
~5.4 |
T300/T700/T800/T1100 |
| 2 |
SGL Carbon |
德国 |
~1.5 |
汽车用 |
| 3 |
Hexcel |
美国 |
~1.2 |
航空用 |
| 4 |
Teijin（帝人） |
日本 |
~1.0 |
— |
| 5 |
Mitsubishi（三菱） |
日本 |
~0.9 |
— |
| 6 |
中复神鹰 |
中国 |
~1.0 |
干喷湿纺 |
| 7 |
光威复材 |
中国 |
~0.4 |
军工+民用 |
| 8 |
吉林化纤 |
中国 |
~1.6 |
大丝束 |
价格参考（2025-2026）
| 产品 |
价格区间（元/公斤） |
趋势 |
| T300（12K） |
55-75 |
国产化降价 |
| T700S（12K） |
90-130 |
需求增长 |
| T800H（12K） |
180-280 |
稳定 |
| T1000G（12K） |
350-550 |
高端需求 |
| 大丝束（48K-50K） |
35-55 |
工业化降本 |
市场趋势
- 全球碳纤维市场规模约250亿元（2025年）
- 风电需求增长最快
- 中国国产化率提升，成本下降
- 氢能储运（氢气瓶）带动需求增长
- 2024-2026年市场规模年增15-20%
质量分级标准
PAN基碳纤维分级
| 指标 |
T300级 |
T700级 |
T800级 |
T1000级 |
| 拉伸强度(GPa) |
≥3.5 |
≥4.9 |
≥5.5 |
≥6.3 |
| 拉伸模量(GPa) |
≥230 |
≥230 |
≥290 |
≥290 |
| 断裂伸长率(%) |
≥1.5 |
≥2.1 |
≥1.9 |
≥2.2 |
| 线密度CV(%) |
≤3 |
≤3 |
≤2 |
≤2 |
复合材料检测
| 检测项目 |
方法 |
说明 |
| 树脂含量 |
烧蚀法 |
30-40% |
| 孔隙率 |
超声C扫描 |
≤1% |
| 纤维体积分数 |
切片法 |
55-65% |
| 层间剪切强度 |
三点弯曲 |
≥65MPa |
加工应用注意事项
| 工序 |
注意事项 |
常见问题 |
| 裁切 |
激水刀/超声波切割 |
毛边 |
| 铺层 |
按设计角度铺放 |
角度偏差 |
| 固化 |
温度和压力控制 |
孔隙、分层 |
| 后加工 |
CNC加工，粉尘防护 |
纤维拉出 |
| 储存 |
防潮，避免UV |
性能下降 |
可持续发展
| 方向 |
说明 |
进展 |
| 碳纤维回收 |
热解法、化学溶解法回收 |
产业化 |
| 风电叶片回收 |
退役叶片的碳纤维回收 |
推广中 |
| 生物基PAN |
替代石油基原料 |
研发中 |
| 降低能耗 |
碳化过程高能耗是挑战 |
持续改进 |
| 轻量化减碳 |
汽车/航空减重带来的碳减排 |
显著效益 |
优缺点总结
优点：
- 强度极高（钢的5-7倍）
- 模量高
- 质轻（密度1.75-1.95g/cm³）
- 耐高温（非氧化环境3000°C+）
- 耐腐蚀
- 热膨胀系数近零
- 可设计性强
缺点：
- 价格昂贵
- 断裂伸长率低（脆性）
- 各向异性
- 氧化环境耐温有限（<500°C）
- 需配套树脂使用
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