碳纤维（简称CF）不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。它在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。由碳纤维与相关的基体树脂（如环氧树脂）备制的复合材料的多项物理力学性能可以与金属媲美，由于其特有的耐高温（＞3000℃）、耐烧蚀，热膨胀系数小，及高比强度、高比模量等特性，在国际上被誉为“黑色黄金”，继石器和钢铁等金属后，被国际上称之为“第三代材料”，在世界各国备受重视。
1 生产技术
目前，工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。从粘胶纤维制取高力学性能的碳纤维必须经高温拉伸石墨化，其碳化收率低、技术难度大、设备复杂、成本较高，产品主要为耐烧蚀材料及隔热材料所用；由沥青制取碳纤维，原料来源丰富，碳化收率高，但因原料调制复杂、产品性能较低，亦未得到大规模发展；由聚丙烯腈纤维原丝可制得高性能的碳纤维，其生产工艺较其它方法简单，而且产品的力学性能优良，用途广泛，因而自问世以来，取得了长足的发展，成为当今碳纤维工业生产的主流。
聚丙烯腈基碳纤维的生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程。原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序。碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。根据产品规格的不同，碳纤维目前被划分为宇航和工业级两类，亦称为小丝束和大丝束。通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K、60K、120K、360K和480K等。当生产PAN基碳纤维的时候，被称为"母体"的聚丙烯腈纤维首先要通过聚合和纺纱工艺加工聚丙烯腈而成。然后，再将这些母体放入氧化炉中在200-300℃进行氧化。另外，还要在碳化炉中，在温度为1000-2000℃间进行碳化，制成碳纤维。下文碳纤维均仅指聚丙烯腈基碳纤维。
尽管碳纤维生产流程相对较短，但技术壁垒很高，其中碳纤维原丝的生产是难中之难，具体表现在碳纤维原丝的喷丝工艺、聚丙烯腈聚合工艺、丙烯腈与溶剂及引发剂的配比等。目前世界碳纤维技术主要掌握在日本的东丽公司、东邦Tenax集团和三菱人造丝集团手中，这3家企业技术严格保密，工艺难以外露，而其他碳纤维企业均是处于成长阶段，生产工艺在摸索中不断完善。我国碳纤维现阶段绝大部分依赖进口，华皖碳纤维、少数科研院所及山东光威集团都力争在碳纤维生产方面获得突破。
PAN原丝不仅影响碳纤维的质量，而且影响其产量和生产成本。换言之，只有高质量的原丝才能生产出高性能碳纤维，才能稳定生产，提高产量，降低成本。对于现代碳纤维生产线，要求喂入丝束数在100以上，且高速运行；如果原丝质量低劣、彼此性能差异较大，易在生产过程中产生毛丝缠结，甚至发生断丝，很难稳定生产，必然加大原丝的损耗。对于质量好的PAN原丝，用2.2kg左右的原丝可生产出1kg碳纤维；而质量差的原丝，则需2.5kg，甚至更高，而原丝成本占碳纤维生产成本的50%-65%。所以，PAN原丝质量不仅可左右碳纤维的性能，而且也制约着碳纤维的生产成本和市场竞争能力。
碳纤维是由有机PAN纤维经过一系列热处理转化而来的。碳纤维属于脆性材料，拉伸强度等性能受控于各类缺陷。因此，在一定意义上讲，提高碳纤维的拉伸强度等性能就是采取技术措施减少缺陷数目、减小缺陷尺寸的过程。碳纤维的缺陷产生可大致分为两类：一类是先天性缺陷，由PAN原丝"遗传"给碳纤维：第二类是后天性缺陷，在预氧化、碳化等一系列后处理过程中产生。从缺陷在碳纤维中所处的位置，又可分为表面缺陷和内部缺陷两大类，其中表面缺陷占缺陷总数的90%左右，对拉伸强度的影响要比内部缺陷大得多。
2 碳纤维新材料的结构、性能
碳纤维是碳质量分数在90%-95%之间的无机高分子纤维，其中含碳量高于99%的称石墨纤维，碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维是一种新型非金属材料，具有一般碳素材料的性能，如耐高温、耐摩擦、抗疲劳、强度高、纤维密度低、导电、导热及耐腐蚀等特点。与一般碳素材料不同的是，其有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维密度小，因此有很高的比强度。碳纤维的轴向强度和模量高，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，X射线透过性好。其缺点是耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。
碳纤维与传统材料相比，是一种力学性能优异的新材料，其高强度（是一般金属的3-5倍），高模量、低密度（是一般金属的1/4-1/5）的特性，使其成为减重、增强的最佳材料；较高的热稳定性（惰性稳定至2000℃，空气中400℃缓慢氧化）和化学惰性，使其具有耐烧蚀和耐腐蚀的优势；由于碳纤维具备纺织纤维的柔软可加工性，与金属、陶瓷、玻璃纤维等有良好亲合性，可适应不同构件形状，成型方便；此外，碳纤维还具备抗疲劳强度高、热膨胀系数小、电阻率小等特性。
碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维；按性能可分为通用型、高强型、中模高强型、高模型和超高模型碳纤维；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000MPa、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。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。
碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为23000-43000MPa亦高于钢。因此CFRP的比强度（即材料的强度与其密度之比）可达到2000MPa/（g·cm-3）以上，而A3钢的比强度仅为59MPa/（g·cm-3）左右。材料的比强度愈高，则构件自重愈小。比模量愈高，则构件的刚度愈大。
3 碳纤维新材料的应用范围
3.1 复合材料增强组分
3.1.1 军用与传统领域
传统使用中，碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体器官代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。碳纤维以前主要应用于航空航天和军工等领域，近年来随着生产技术水平的提高和生产规模的扩大，碳纤维在新型纺织机械、碳纤维复合芯电缆、风力发电叶片、核电、油田钻探、医疗器械、汽车构件、建筑补强材料、文体用品等领域也都有应用。
3.1.2 风能与汽车制造领域
在碳纤维应用的新市场，例如碳纤维主要用于风机叶片的载荷加强杆中。目前，由于风能发电的成本相对低廉，全球风机装机容量的增速迅猛，大容量风机的应用将成为主要趋势。而大容量风机的长叶片将会采用密度高、重量轻的高碳纤维制造。未来随着风电应用范围的逐步扩大，将会大大拉动大丝束碳纤维需求的增长。碳纤维复合材料传动轴、尾翼和引擎盖在汽车行业的应用，也有从豪华车型扩大到大众车型的趋势；而碳纤维在隔热材料领域的应用也在逐渐增大；此外，在核电、油田钻探、医疗器械、汽车构件、建筑补强材料、文体用品等领域，碳纤维也具有广阔的应用空间。
为达到极致轻量化，不少汽车厂家在汽车的制造和改装过程中开始尝试大量应用碳纤维增强复合材料。丰田“1/X”混合动力车，由于车身骨架采用碳纤维材料，创造出百公里耗油仅2.7L的超低燃耗记录。此外，三菱EVO X极致轻量化的车身改造，均缘于大量碳纤维套件的使用，如牌照框、导风罩、散热孔罩等构件均采用碳纤维材料。在2010年的日内瓦车展上，兰博基尼全球首发了Gallardo系列的最新高性能轻量版车型--LP570-4 Superleggera。该款车型仍然采用了四驱的形式，主要是通过运用更轻的车身材料来降低整车质量。在车身覆盖件、空气动力套件等部分，包括前后保险杆、引擎盖框架、车外后视镜、扰流尾翼、彻底扰流板以及车门内侧、中控台面板、方向盘、排挡周围等部件均采用碳纤维材质打造，誓将轻量化进行到底。相对于普通版LP560-4来说，LP570-4不仅最大功率还提升了7.46kW（10马力），而且整车质量还减轻了近70kg。随着碳纤维行业的不断成熟与发展，以及节能减排和汽车轻量化大方向的指引，碳纤维材料或成汽车界“瘦身革命”的领导者。可以预见，碳纤维轻量车身必将掀起一股新的变革潮流，一个新的市场突破点正在形成。
3.1.3 运动器材、土木材料和化工器材制造领域
碳纤维还可用作网球拍和壁球拍及曲棍球杆和高尔夫球杆，自行车、赛艇、滑雪板和雪车等制造材料。在土木建筑中，碳纤维用作幕墙、嵌板、间隔壁板、架设跨度大的管线、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板等制造材料。在化工中，碳纤维用作防腐泵、阀、槽、罐，催化剂、吸附剂和密封制品等制造材料。在医疗器材中，碳纤维用作人造骨骼、牙齿、韧带、X激光机的床板和胶卷盒等制造材料。其他，在电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料方面，碳纤维也已获得广泛应用。
3.2 电热地暖材料
21世纪最科学的取暖方式是按需取暖。碳纤维电热地暖是以碳纤维通电、发热为热源，铺设在木地板或是水泥地面砖之下，通过向外辐射波长为5-15μm的远红外光波来达到取暖的目的，室内温度可达25-28℃。碳纤维电热转换率高达99%，室温可由温控器精确控制，实现按需取暖。加之碳纤维可耐温3000℃、耐折50000次、不易氧化，其外层绝缘材料耐温300℃，耐高压5000V，所以安全性极高，并且可保用50年以上。
采用碳纤维材料制成的超薄壁挂式散热器不仅具有通电即热、升温快（1-3min即可达到工作温度）、安全可靠、寿命长（使用寿命不低于10万h）等优点，而且热转换率高，省电节能。丝碳纤维发热体的电热转换率达98%以上，比金属丝发热体节电40%以上，使用寿命可达30年以上。且无跑冒滴漏、腐蚀换件等后顾之忧，终身免维护，节省维护费用，方便住宅小区物业管理，对人体有远红外线保健作用。
碳纤维导线与传统导线相比，相同传输容量下，碳纤维导线的线损可减少6.3%，按全国全口径年发电量32559亿kW·h计算，可减少线损266.67亿kW·h，相当于节约煤997.35万t/a[按发电耗煤374g/（kW·h）计算]；新型碳纤维导线能节约一半的金属铝用量，按电力电路100万t/a铝用量计算，能节约铝材50万t。而且，新型导线在实现倍容量输电同时，可节约一条线路所占用的土地。按照全国全年新增线路计算，每年可节约土地2万km2，对我国以及世界上其他土地资源紧缺的国家或地区而言，尤为受益。
4 碳纤维新材料在欧美各国的应用发展现状
世界PAN基碳纤维已进入发展旺盛的成熟期，主要表现为：PAN基碳纤维产量急剧提高，生产规模大型化，产品价格下降；PAN基碳纤维生产工艺、设备、技术不断改进，碳纤维性能不断提高；应用范围从少数高科技领域、军事部门扩展到工业民用的各个部门。
4.1 飞机制造
空客集团研制的超大型客机A380目前已交付使用。飞机复合材料占25%，主要应用部件包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等，仅中央翼盒用复合材料就达5.3t，实现减重1.5t。《空客全球市场预测》估计，2006-2025年间，飞机运营商将需要22700架客机和货机。这些OEM正引领着结构性复合材料用量的巨大增长，其中包括碳纤维，其最新的应用就是B787和A380飞机。碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。例如，三菱重工计划利用碳纤维复合材料制作新一代支线喷气客机MRJ主机翼和尾部组件。该机型预计在2013年进入市场。
4.2 风力发电风机叶片制造
预计未来5年，风能发电的市场需求将以每年15%-20%的速度增长。近年来，虽然风力发电产业发展很快，但风力发电装备的关键部件（叶片）多使用玻璃纤维增强材料制造，难以满足叶片尺寸加大对刚性的要求。cfro材料在叶片上的应用，无疑将促进风能发电产业的发展。就风能系统而言，丹麦风机生产商维斯塔斯（Vestas）预测，到2020年全球的电力消耗量中，风电的份额最高将达到10%。该公司在风机叶片的载荷加强杆中使用碳纤维，目前为止已经安装了将近3.4万套的风机系统。西班牙Gamesa公司宣称，去年1月，在全球已收到超过8000MW的风力发电机订单，其中3000MW已经安装完毕。风电应用将推动大丝束（24K）碳纤维产量的增长。全球对清洁能源的需求还将促进终端产品制造商的持续投资。碳纤维在风机叶片中的应用到2010年将成为继航空航天后的第二大应用。欧洲和亚洲在这一领域远远领先于美国。全球风机装机容量的增长速度正在加快，高碳纤维含量的长叶片制成的大容量风机将成为主要趋势。2008年，新的风机装机容量大约为19000MW。如果风机的平均容量为2.5MW，那么就需要安装7600台风机。叶片数量预计为22800片。
4.3 汽车零部件
碳纤维在汽车行业需求前景也较为乐观。据介绍，碳纤维复合材料传动轴、尾翼和引擎盖已经在汽车行业广泛应用，虽然现在主要是用在豪华车型，但预计未来将在大众车型中推广。日产汽车、本田汽车和东丽公司将联手开发汽车车体用的新型碳纤维材料。合作企业还包括三菱丽阳和东洋纺织，目标在2010年代中期以前开始量产，使车体较使用钢材者轻40%。日本政府亦支持该项计划，希望在全球开发环保车辆的趋势中取得领先地位。日本经济产业省计划未来5年投资这项计划20亿日元。目前碳纤维价格仍高，但随着钢价持续上扬，将可缩小两者间的差距，而采用碳纤维材质，将可改善车辆的燃料效能，并使二氧化碳排放减少30%。
4.4 抗震建筑材料
碳纤维在抗震修补和增强措施中使用，其主要应用是工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等结构体之加固补强，以及结构中梁、板、柱、墙等构件之加固补强。碳纤维自重轻，强度高，耐久性好、抗腐蚀能力强，可耐酸、碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强，是桥梁加固和建筑物抗震补强的理想材料。近年来海外的需求量大增，日本的碳纤维耐震补强材料和技术已向海外扩展。此外，用碳纤维管制的桁梁构架屋顶，比钢制品轻1/2，使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。由于我国拥有世界上最大的土木建筑市场，碳纤维作为加固建筑结构材料的应用将面临良好的市场机遇。
5 碳纤维新材料市场前景
碳纤维在世界各个国家都备受重视，除了传统的航空航天领域外，汽车、风力涡轮叶片及压力容器等市场对碳纤维的需求也在逐渐增加。目前世界碳纤维年产量达到4万t以上，而市场的需求量将以每年约13%的速度增长。预计2011年，世界聚丙烯腈基碳纤维的全球需求量将达5万t，2012年将达6万t，到2018年需求量将可能达到10万t。全球碳纤维市场正以平均每年两位数的速度快速增长。
碳纤维用途依国家不同而异，美国主要发展用于国防与航天，而日本则用于运动休闲器材，全世界主要是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的Hexcel、Zohek、Aldila三家公司，以及德国SGL西格里集团，韩国泰光产业，中国台湾省的台塑集团等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。国内还没有一个年产100t的规模化碳纤维工厂，大多还处于中试放大阶段。台塑集团，在20世纪80年代中期从美国Hitco公司引进百吨级碳纤维生产线，经消化、吸收和配套后得到迅速发展，台塑产量增加很快，但碳纤维质量的提高幅度并不大。
近几年，由于碳纤维在国际市场上供不应求，在国内的价格也是居高不下，市场刺激让民营资本开始介入碳纤维领域。因此，我国的碳纤维在短期内会有一个跃升，大力发展碳纤维的时机已经来临。但我国碳纤维发展还存在着一些问题，技术多元化格局尚未真正建立。这种局面无法满足市场发展需求。我国应利用多种经济元素的优势，结合各种社会资源来产业化发展碳纤维；通过科学论证的方法，建立符合我国市场特征的生产体系，真正建立并完善技术一生产一应用的有效链条。
尽管我国碳纤维生产发展缓慢，而消费量却一直在逐渐增加，市场需求旺盛。主要用途包括体育器材、一般工业和航空航天等，其中体育休闲用品的使用量最大，约占消费量的80%-90%。我国碳纤维的年需求量已超过3000t，2010年将突破5000t。主要应用领域为：成熟市场有航空航天及国防领域和体育休闲用品；新兴市场有增强塑料、压力容器、建筑加固、风力发电、摩擦材料、钻井平台等；待开发市场有汽车、医疗器械、新能源等。随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。现在国内已经有使用长纤碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处。
为了大型飞机的制造和航空航天事业的发展，我国还必须尽快地实现高强中模型碳纤维的产业化。但是，因为高性能碳纤维是发展航空航天等尖端技术必不可少的材料，长期受到以美国为首的巴黎统筹委员会的封锁。虽然“巴统”在1994年3月解散了，但禁运的阴影仍然存在。即使对我国解除了禁运，开始也只能是通用级碳纤维，而不会向我国出售高性能碳纤维技术和设备。因此，发展高性能碳纤维必须要靠我们自己。我国化学纤维工业“十一五”发展规划“从以增加数量为主转向大力发展高新技术纤维”，特别是把事关国家产业安全的高新技术纤维材料作为重中之重，而且碳纤维被列为首位，是国家迫切需要短期内突破的高新技术纤维品种，为我国碳纤维的发展创造了条件。“十一五”期间，我国启动了相关“973计划”。随着国民经济的不断发展和人们生活水平的提高，碳纤维的应用范围从军工和航天领域向其他领域扩大的趋势将会越来越强。同时，碳纤维发热产品，碳纤维采暖产品，碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭，“十二五”将是我国碳纤维工业产业化的黄金时代。碳纤维未来预期在环保用途将会大幅成长，依产品设计与结合特殊他种材料会展开另一新纪元。
