【碳纖維】（強烈推薦）你真的了解碳纖維嗎，中國碳纖維產業何去何從

（本文經石墨邦邦友—碳纖維研究學者趙偉博士整理，資料來源於中國複合材料學會）

1 概述

《「十二五」國家戰略性新興產業發展規劃》中提出「要大力發展新型功能材料、先進結構材料和複合材料，開展共性基礎材料研究和產業化，建立認定和統計體系，引導材料工業結構調整。」對複合材料推動國民經濟的發展抱以巨大的希望，美國國家科技委員會在2012年美國SAMPE會議上的報告指出：「從上個世紀80年代開始，技術的更新與經濟發展已經從未像現在這樣更多地依賴於新材料的開發利用。」 近年來，每年有關先進複合材料在各行各業應用的研討會數以十計。目前碳纖維複合材料已成了最為熱捧的新材料之一，很多專家學者在各種會議上發表文章，向工業部門的決策者獻計獻策，大量介紹不同工業領域國外碳纖維複合材料的應用範例；很多地方政府積極引資建立碳纖維企業，希望成為當地經濟新的增長點。但也有很多專家對這種碳纖維生產的「大躍進」產生擔憂，擔憂出現新的「泡沫」。總之，抱樂觀態度的專家認為，今後5~10年碳纖維在工業領域會出現「井噴」式的應用，碳纖維生產企業生產的碳纖維會成為緊缺物質；而抱悲觀態度的專家則擔憂碳纖維複合材料在工業領域的大量應用遙遙無期，目前的碳纖維企業將會陸續倒閉。國內目前已有多達數十家碳纖維生產企業，但基本上均處於虧損的狀態，因此對碳纖維產業現狀的分析是各級政府和碳纖維企業必須面臨的問題。本文試圖通過對碳纖維及其複合材料的理解，指出碳纖維產業目前存在的一些問題，希望能對國內碳纖維產業的發展有所裨益。2 碳纖維複合材料的特點和應用對象表1所示為常用結構材料的力學性能比較，可以看出碳纖維的最大優勢是具有高比剛度和高比強度，特別是高比剛度，是其他材料無法比及的，即使是高強高模玻璃纖維，雖然其強度高於T300級碳纖維，但其複合材料的比剛度遠遜於碳纖維複合材料。結構設計的經驗表明，控制大多數結構重量的關鍵指標是變形要求（若無變形要求，可以使用更便宜的高強玻璃纖維），正因為如此，碳纖維的高模量是它能在眾多結構材料中鶴立雞群的主要原因，在當前席捲全球的結構輕量化潮流中，碳纖維複合材料必然是其他材料無法替代的首選。當然碳纖維可以有很多用途，但主要是用作結構材料，根據碳纖維複合材料的上述特點，同時具有減重和變形要求的結構應是其最適合使用的對象。 除航空航天結構外，工業領域有著大量對安全性和減重有很高要求的高性能結構，目前發展勢頭很猛的碳纖維自行車同樣也屬此列，這些高性能結構必然對碳纖維及其複合材料性能的穩定性有嚴格的要求，這應是碳纖維複合材料應用的主流和未來的潛在客戶，和促進碳纖維產業發展的基礎。實際上目前國內用量最大的普通體育休閑產品，如普通民眾使用的釣魚竿、羽毛球拍、網球拍等也應對碳纖維的性能穩定性有要求，但被這些產品的生產商所忽略。但除航空航天部門外，目前國內很多碳纖維及其複合材料生產企業和用戶對產品的穩定性要求缺乏必要的認識，安於低水平的現狀。

3 碳纖維的發展歷程和分類碳纖維從1960年代發明以來，最初在軍用飛機和航天結構中得到應用，主要著眼於小絲束高性能碳纖維的開發，最有代表性的是Toray的T300和後來Hexcel的AS4，其用途也集中在航空航天結構，特別是航空結構的應用。隨著碳纖維在民機結構應用的擴大，特別是在機翼機身結構應用的需求，發現T300級碳纖維的彈性模量（230GPa）無法實現進一步減重的需求，在1980年代以波音公司為代表提出了中模高強碳纖維，即T800級碳纖維的研製要求，為此Toray率先研發出彈性模量為296GPa的T800，同時Hexcel為美國軍機結構研發出具有類似模量的IM系列碳纖維。目前軍機和民機結構（特別是主承力結構）主要採用中模高強碳纖維，T300級碳纖維在軍機和大型客機結構中的應用比例已大幅度降低。與此同時為滿足航空航天的特殊需求，它們又開發出了以M40J為代表的高模碳纖維品種。隨著碳纖維在飛機結構中應用的成熟，將碳纖維推廣應用至工業領域結構成為碳纖維企業自身發展的目標。鑒於工業領域對原料成本的要求極為苛刻，必須研發出低成本同時又能保持原有性能優點的碳纖維，12K的T700S就是Toray為此目的研發出，供民用產品使用的碳纖維品種。與此同時其他碳纖維生產商也都以T300和T700S為藍本開發出了與此性能相當價格低廉的低成本碳纖維，以台塑為代表。需要注意的是T700S的性能指標（即拉伸模量230MPa和拉伸強度4900MPa）並非根據用戶的要求研製的，而是採用T300的生產工藝，但將濕噴濕紡改為高效的干噴濕紡工藝後自然形成的。而T700G則是在T700S的基礎上，通過改善其界面性能，並將拉伸模量略有提高（即由230MPa提高到240GPa）後才用于飛機結構，但用量並不大，也可以說是T300與T800之間的過渡產品。隨著民用產品對低成本的迫切需求，低成本碳纖維的研發逐漸趨向於大絲束產品。從上述分析可以看出，有兩類碳纖維：a) 用於航空航天結構的高性能碳纖維。主要是中小絲束T300級和T800級與高模量碳纖維。這些品種碳纖維採用濕噴濕紡的工藝方法生產，要求穩定的高性能，必須經過嚴格、耗時費錢的鑒定程序才能獲得應用，當然也希望其價格能盡量降低，特別是民機結構應用，因此全球只有少數幾家碳纖維企業的產品有幸成為供應商。對這類碳纖維要求是穩定的高性能前提下盡量降低成本。T700G雖在飛機結構中有所應用，但不是航空用碳纖維的主體。目前國際上航空航天結構用碳纖維佔總需求量的20%，國內所佔比重還要少一些。其國際市場的價格大約為80~100美元/kg，雖然國內市場價格目前要高一些，但今後將會與國際接軌。b) 用於工業領域用的低成本碳纖維是目前國際上多數碳纖維企業生產的產品，大部分是性能與T300和T700S相當、以12K為主的碳纖維，其中採用干噴濕紡生產的T700S是主流產品，近期為降低成本更是大力發展中大絲束（24K和48K）碳纖維，目前國內基本上沒有這種高效的低成本生產技術。這類碳纖維的要求是在低成本前提下保證穩定的性能。生產工業領域高檔產品（今後大量使用碳纖維的潛在應用對象）的碳纖維用戶對性能穩定性的要求雖然不像航空結構那樣嚴格，但仍有很高的要求。工業領域用低成本中大絲束碳纖維佔總需求量的80%，隨著碳纖維在工業領域應用的增加，所佔比重會更大，其價格目前大約為20~30美元/kg，工業界的期望值是低於15美元/kg。4 成本——碳纖維複合材料在工業領域應用的命脈目前碳纖維複合材料具有高性能幾乎已是盡人皆知的事實，但同時也留下了價格昂貴，只能用於不計價格的奢侈品印象而無人問津。但工業領域碳纖維複合材料產品能否被市場接受，在保證安全和滿足功能要求的前提下必須具有全壽命成本的優勢，否則無人問津，全壽命成本包括購買成本、使用成本、維護成本和失效後的處理成本。需要指出的是，全壽命成本與其產品批量有關，隨著碳纖維複合材料產品的普及，這些成本也會隨之降低。當然阻礙碳纖複合材料產品擴大應用的因素還包括對這些產品使用可靠性的信任程度，以及設計與製造技術人才與設備等，但首先是可接受的全壽命成本。若無法實現該目標，除了少量其他材料無法替代的產品外，碳纖維產業將無立錐之地。上述對碳纖維複合材料優勢，以及存在問題的認識同樣存在於上世紀70年代的民用飛機製造商。當時發生的伊朗革命引發了石油危機，油價飛漲使得航運成本急劇上升，飛機結構輕量化成為飛機結構製造商面臨且迫切需要解決的首要問題，對於飛機結構製造商，惟一可供選擇的結構材料只有碳纖維複合材料，成本、信心和技術是它們面對的三大疑問，其中的核心是成本（即全壽命成本必須優於原來的金屬結構）。圖1和圖2分別給出了40年來複合材料在飛機結構中所佔比例的變化，以及所用結構件重要程度的變化，其中ACEE（飛機能效計劃，1976~1986）、ACT（先進複合材料技術計劃，1988~1997）、AST（先進亞聲速計劃，1992~2002）和CAI（低成本複合材料計劃，1996~2006）分別是美國政府為推動複合材料在飛機結構中應用的研究計劃，TANGO(Technology Application to Near Term Business Goals and Objectives，2000~2004)和ALCAS(Advanced Low Cost Aircraft Structures，2004~2008)是歐盟贊助的推動複合材料在機翼機身結構中應用的研究計劃，從中可以得到下列啟示：a) 從上世紀70年代中期開始，為實現機翼機身這樣的主結構應用，歷經了30多年，直至Boeing787（複合材料占結構重量50%以上，2011年9月26日交付使用）投入批產和航線使用，表明碳纖維複合材料為主體的飛機結構才真正被用戶接受。b) 圖3所示為波音公司對複合材料飛機結構的生產成本構成分析圖，表明降低複合材料結構生產成本的關鍵是結構整體化（充分利用共固化、共膠接和二次膠接成形技術）和低成本製造工藝（用紡織複合材料製造預成形件、液體成形和真空袋壓等非熱壓罐工藝、用ATL和AFP使鋪貼工藝自動化等）。波音公司聲稱，在Boeing 787機翼機身上使用複合材料，其製造成本可比金屬結構低20%（生產若干數量架次後），再加上舒適性、維修性等其他優點，其全壽命成本遠優於金屬結構，顯然大量使用複合材料成了必然的結果。國內也曾開展過民機複合材料次承力結構（副翼）低成本技術的研究，研究表明，生產100架次後可實現複合材料副翼的製造成本比金屬結構降低不少於20%。雖然在複合材料結構總成本中，材料通常只佔20%，但作為原料供應商的碳纖維企業，降低碳纖維的成本是其義不容辭的責任，特別是佔總量80%以上工業領域用碳纖維主要是低成本的中大絲束碳纖維；此外提供性能更佳的的碳纖維也是其另一項職責，用T800替代T300就是具體的體現，通過其更高的彈性模量（由230GPa提高到294GPa），使機翼機身這樣的主承力結構實現了更多的減重，而對降低結構的全壽命成本做出了重要的貢獻，低成本的中大絲束中模高強碳纖維也是工業領域希望使用的原料。

5 碳纖維的關鍵性能指標目前國內工業領域使用的碳纖維中，T700級是其中的主流，很多領域的複合材料製品規範均按T700S的指標制訂，因此需要明確T700S力學性能指標的合理性和必要性，否則會有意無意地協助日本Toray公司對國產碳纖維企業設置不合理的門檻。眾所周知，T300和T700S有著相同的彈性模量，只是T700S的拉伸極限強度為4900MPa（名義值），高於T300的3530MPa（名義值）。如前所述，作為結構材料，碳纖維相比其他材料的主要優勢是具有高比剛度，因此其主要應用對象應是同時具有減重和變形要求的結構。結構設計的經驗表明，採用現有碳纖維無法實現更多減重的瓶頸是其彈性模量，因此具有更高彈性模量的碳纖維是發展的趨勢，若成本可以接受，所有的用戶為獲得更多的減重，願意使用具有更高彈性模量的T800。目前的設計實踐還表明，絕大部分碳纖維複合材料產品（包括飛機結構、風機葉片、建築補強、電纜芯，甚至自行車、釣魚竿、羽毛球拍、網球拍等），由於變形和其他約束，其設計應力水平很低，強度餘量通常不低於3（除了局部連接區外），特別是民用結構，強度餘量甚至可以達到10以上，碳纖維的強度有非常大的餘量，T300的拉伸強度就已經綽綽有餘，T700S的高強度通常是沒有意義的。

用于飛機結構的第一代碳纖維是T300級，第二代產品是T800級，而非T700級，因為後者的模量與T300相同，無法進一步減重。在研製T800時，主要目標是彈性模量提高30%。T700S的出現主要是為降低成本，它在民用產品中的獨霸地位主要是其價格，而非強度。目前國內在研製國產T700級纖維時普遍遇到的困境是模量優於而強度低於T700S，其實這種類型的碳纖維對於大多數複合材料製品能獲得更多的減重效益，為何必須要達到T700S的指標才允許進入市場呢？當然碳纖維的彈性模量和拉伸強度需要合理的匹配，彈性模量提高後，強度指標也需要有所提高，因此必須保證適當的斷裂伸長率，例如T300碳纖維的匹配性就比較合理，按飛機公司的材料規範要求，應大於等於1.28%，作者的研究表明低於1.28%和大於2%對複合材料的抗衝擊性能是不利的。

6 碳纖維性能穩定性為獲得高性能的碳纖維複合材料產品，必須提供性能穩定的碳纖維，特別是力學性能的穩定。目前用戶對力學性能穩定性，多理解為強度和模量不低於每個指標值（有很多用戶甚至只要強度指標），很多用戶的材料規範也採用這種指標來控制來料質量。表2給出了國家制定的T300級碳纖維指標和國外飛機公司在材料規範中給出的指標，表3給出了Toho公司T300級碳纖維（HTS40）在產品目錄、NCAMP材料規範（出廠驗收指標值）和國外飛機公司材料規範（用戶驗收指標值）中分別給出的力學性能指標。對比這些指標，可以發現兩個問題：a) 國家計劃指標對T300（也包括T700和T800）級碳纖維制訂了不合理的指標；b) 國內用戶對材料驗收指標設置了過分苛刻的要求。由於歷史的原因，國家在確定研發碳纖維的力學性能指標時只關注Toray公司產品目錄中的數據，姑且不管是否要以Toray的產品指標來為國產碳纖維定位，即使以此定位也與T300、T700和T800的實際情況不符。可以看出，產品目錄中的數據並不代表實際的性能指標，所謂T300級碳纖維只是其中標模高強碳纖維中一個品種的典型值，並不代表其最低性能。國產化項目中追求與T300性能等同，只是為了替代現有產品中所用T300時的特殊要求，而且其中最關鍵的是彈性模量應與T300相同，即應在221~241GPa範圍內，簡單地用?230GPa無法得到可以替代T300的等同性產品。至於強度要求，對T300碳纖維在使用時的要求是採用最小批次平均值和最小單卷平均值來限定的，通常均低於典型值。因此無論從替代T300，還是用於開發新產品的角度，國家計劃指標均給出了錯誤的導向。若為了替代已在產品中使用的T300，該指標會引導得出彈性模量高於230GPa（例如250GPa）的產品，而無法滿足等同性替代的需求；若為用於新產品開發，則高於3530MPa的指標，會使國產碳纖維去追求實際並不需要的更高強度性能，以致出現強度過高，斷裂伸長率超過2%，產生無法滿足複合材料抗衝擊性能要求的問題。

國外對碳纖維性能的穩定性，是通過固化與監控PCD（工藝控制文件），和對按該PCD生產產品性能統計處理後所形成的材料規範來保證的。由於產品設計的輸入是材料的彈性模量（基礎是碳纖維的彈性模量），因此保證碳纖維性能穩定的首要指標是彈性模量，碳纖維的彈性模量必須在某一範圍內，而不是大於等於某個值。由於結構製造需要多卷碳纖維，結構剛度依賴於該批碳纖維的平均值，因此只要批次平均值滿足要求即可，不必考慮單卷的性能。產品安全的保證是滿足結構完整性要求，結構完整性是指強度、剛度、損傷容限、耐久性與功能的總稱，因此碳纖維的強度是保證安全的必要條件，只要高於校核所設定的設計值即可。考慮到產品的分散性，在材料規範中設定了最小批次平均值和最小單卷值來保證，當然這兩個值是在產品PCD固化後，對長期生產產品性能數據統計基礎上計算得到的，使得抽檢程序將不合格產品錯判的可能性降至最小。產品的分散性客觀存在，也是允許的，其大小決定了計算得到的最小批次平均值和最小單卷值，只要它們能滿足用戶的最低要求，可以不管強度分散性的大小。從表2和表3可以看出，國外飛機公司在驗收時除強度外只規定了批次平均值，而國內用戶則設置了遠高於國外標準的驗收要求，除對批次CV值有要求外，還對單卷性能做出規定，看似嚴格，實際上將大量按國外標準合格的產品判為不合格產品。用戶對穩定性要求的不適當要求給國產碳纖維的研發和國內碳纖維生產商帶來了負面影響，人為提高了國產碳纖維在產品中得到應用的難度，因此有必要開展碳纖維力學性能穩定性評價體系的研究。7 結論和建議(1) 作為結構材料，碳纖維的優勢是高比剛度，因此其使用對象主要是兼具減重和變形要求的產品；(2) 碳纖維性能指標首先應保證彈性模量（重點是批次平均值），碳纖維複合材料減重通過利用其高模量來實現，因此第一代和第二代碳纖維的差別主要是模量，當然模量和強度應具有合理的比值；(3) 應開展對碳纖維力學性能穩定性的評價體系研究，合理的評價體系才能促進國產碳纖維的健康發展；(4) 碳纖維產業的生存取決於能否製造出全壽命成本優於其他材料的碳纖維複合材料製品，為此碳纖維企業應開發高效低成本的生產工藝，為工業界提供低成本性能穩定的碳纖維產品；(5) 民用飛機複合材料結構的發展歷程表明，通過材料、設計和製造工藝的綜合努力，工業領域碳纖維複合材料產品的全壽命成本優於其他材料製造產品的目標是能夠實現的，因此碳纖維複合材料應用的「井噴」不會是遙不可及的未來。（中國複合材料學會）