一、碳纤维材料的特性简介
碳纤维是一种类似于人造石墨的碳纤维。碳纤维具有优良的物理化学性能。碳纤维具有较低的密度和较轻的重量，其密度大约为每立方厘米1.5~2g，占钢的四分之一，但是它的抗拉强度却是钢铁的7-9倍，它的优异的比强度使得它在高品质的环境中被广泛使用。同时，其化学性能优异，耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、耐低温等性能，在金属和非金属间也有良好的导电性。此外，还具有抗油、抗辐射、抗辐射、吸收有毒气体、减慢中子等功能。
二、碳纤维材料的种类及其发展
(一)PAN基碳纤维
以PAN为基础的碳纤维通过纺丝、预氧、碳化等工序生产。PAN基碳纤维是一种具有高强度、高刚度、轻质、耐高温、耐腐蚀、耐压、抗弯曲等性能优良的复合材料。目前，以PAN为原料的碳纤维仍占主导地位。PAN基的碳纤维广泛应用于航空，汽车，汽车，高速列车等陆路运输，船舶，码头，海洋设施，体育，娱乐，电子，基建，造纸，纺织，医疗器械，化工，冶金，石油，机械等行业。
(二)以粘胶为基础的碳素
粘胶纤维是由纤维组成，经脱水、热解、碳化得到的。粘胶基碳纤维的导热系数很低，其三维石墨结构存在缺陷；石墨颗粒具有良好的耐烧蚀、绝缘和热防护性能，这是一种良好的耐烧蚀、绝缘和热防护材料。粘胶基碳纤维是一种具有良好生物相容性的天然纤维或棉绒，它可以作为良好的环保和医疗保健材料。但粘胶基碳纤维生产工艺流程长，工艺要求严格，不适合批量生产，而且生产成本较高；另外，粘胶基炭纤维的整体性能比PAN基炭纤维要差，因此，从60年代开始，其生产能力不断萎缩，目前其生产总量仅占世界碳纤维总量的1%。
(三)基于沥青的碳纤维
以沥青为基础的碳纤维是通过精制，纺丝，预氧化，碳化和石墨化而制成的。以沥青为基材的碳纤维，其成本较PAN为原料，但因其工艺复杂，其生产成本较高。此外，沥青基的碳纤维由于其抗压强度低、后续加工能力不如PAN基炭纤维，因此在生产规模和应用领域上存在着一些限制。但由于其优良的传热、导电、热膨胀等特性，在军事、太空等领域具有独特的用途。
(四)酚醛树脂
酚醛基碳纤维在阻燃、绝缘等方面表现出优异的性能；本发明工艺简单，反应时间短，温度低，碳化率高，手感柔软。酚醛基碳纤维用于造纸原料，耐腐蚀电线，制造耐热、化学、毒、尘等特殊产品。
三、碳纤维增强型复合材料
碳纤维是将树脂、金属、陶瓷等基体与其它基体材料相结合而形成的一种新型的结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料具有比强度、比模量等综合性能最好的特性。在强度、刚度、重量、疲劳性能等方面，对耐高温、化学稳定性有很大的优势。CFRP是一种具有轻质、高强度、耐高温、耐腐蚀、热机械性能的新型复合材料，在建材、耐高温、耐腐蚀等方面得到了广泛的应用。碳纤维的力学性能与基体的力学性质、表面性质、纤维与接触面的性质密切相关，而纤维的性质、表面性质等都对复合材料的粘附性起着决定性的作用。
(一)碳纤维复合材料及其在国内外的应用
碳纤维增强树脂基复合材料在很多领域有着广阔的发展前景。高强度，高模量。CFRP的密度仅为钢的1/5，钛的1/3，其质量比铝合金、玻璃纤维要轻，所以其强度（强度/密度）是高强度钢、超硬铝、钛合金的4倍，而玻璃钢的2倍；其模数（模/密度）为其3倍以上。此外，碳纤维增强树脂基复合材料还具有一定的耐疲劳能力。在静载荷作用下，CFRP连续进行105次，在承受90%极限应力的情况下，钢结构的极限承载能力只有50%。由于其优异的性能，树脂基复合材料已被广泛地用于航空、汽车、航天等领域。美国空军F系列飞机采用了许多碳纤维来减轻其重量。宝马将碳纤维材料用于汽车。从能量角度看，风机叶片的强度要高，密度要小，所以选用树脂型碳纤维是最理想的选择。
(二)碳纤维复合材料的金属化及其应用
因为金属基复合材料一般都是在高温下成形，因此要求其耐高温。在纤维增强材料中，不能选用耐热性能较差的玻璃纤维或有机纤维，应选用硼、碳化硅、碳化硅纤维、氧化铝等作为主要原料。通常使用铝、镁、钛以及特定的合金。碳纤维是目前应用最广泛的复合材料增强材料，它具有很好的耐高温、高温、耐高温、耐水、耐高温等性能，是航空航天领域的主要建材。通常情况下，树脂基复合材料只能在350℃以下使用。近几年，各种不同类型的金属基复合材料在350~1200℃之间得到了迅速的发展。碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维，以金属为基材的复合材料。目前，碳纤维复合材料的制造技术已经比较成熟，其核心技术是对碳纤维进行表面处理，以防止碳纤维损伤，使其整体性能下降。
(三)碳纤维复合材料陶瓷材料的研制及应用
由于其高强度、高温、机械性能、耐磨损、热传导等性能，成为当今高温结构材料研究的热点。CMC-Cf以碳化硅、碳化硅、微晶玻璃、多层复合复合材料为主。采用碳纤维作为增强剂，可以提高复合材料的轻量化和机械性能。但是，由于其自身的抗氧化能力很差，温度超过400℃时，它就会与氧化剂发生化学反应，使其性能大幅下降，综合性能下降，从而缩短其使用寿命。这使得CMC-Cf的氧化问题成为限制条件。瓶颈改善了性能和适用范围。
四、碳纤维的研究进展与展望
(一)国家经济形势
我国早在60年代就已经开展了碳纤维的研究工作，80年代以后又进行了高强度碳纤维的研制。安徽华皖碳纤维公司在全国范围内率先引进了年产500吨、年PAN（东丽T300)200吨/年的PAN，并取得了较快的产业化发展。从那时起，许多大公司都开始参与到碳纤维制造的行列。我国碳纤技术从2000年开始逐渐转向技术多元化，抛弃了传统的硝酸制取技术，转而采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法制浆。国产的T300和T700碳纤维中，有几种是国产的，可以和国际上的同类产品相比。2009年，由于国内碳纤维产业发展滞后、发展缓慢的现状，大量的生产企业和投资基地的增多，使得我国的碳纤维产业发展进入了一个新的发展阶段。但是，目前的碳纤维生产能力（特别是高端产品）与世界先进水平相比，远远落后于世界，目前的碳纤维产能只占世界碳纤维总量的0.4%，而且大多数碳纤维产品仍是依靠进口，要在国内生产，尚需一定的时间。2008年十月，公司自主研发的年产1000吨碳纤维生产线顺利投产，2009年生产能力达到550吨，产量和销售量位居国内第一，有效解决了国内碳纤维的紧缺问题；2008年，在威海长兴纤维有限公司引入了年产1000吨碳纤维的新工艺，并顺利投产。然而，与国际上其他发达国家相比，中国的碳纤维产业却处于起步阶段，无论从生产规模到高端品种，都远远不能满足国家和国家发展的需要。
(二)国际局势的现状
近年来，随着复合材料技术的发展，碳纤维的需求迅速增长，在世界范围内引起了一场碳纤维危机。由于碳纤维危机的出现，国内的碳纤维生产商都在扩大生产规模，以缓解当前的市场压力。2008年下半年全球金融危机的爆发，给实体经济带来了巨大的打击，同时也导致了对碳纤维的需求下滑。尤其是在2009年经济陷入低谷之际，很多碳纤维制造商都推迟了甚至放慢了发展计划。但自从2010年以来，全球的碳纤维市场在金融危机得到缓和后，已经开始快速恢复。由于需求旺盛，碳纤维市场恢复了活力，因此总体上，其需求仍在增加。目前，世界上每年的碳纤维产量已经达到40000多吨，随着使用领域的扩展，它的市场需求也越来越大，而且有很好的发展前景。据相关人士预测，全球碳纤维的需求将以每年13%的速度快速增长，到2018年将达到100,000吨。世界上最大的碳纤维生产商有日本东丽公司，东邦公司，三菱公司，美国公司HEXCEL,ZOLTEK,ALDILA，德国SGL西格里集团，韩国泰光工业。
(三)前景
随着我国工业技术的迅速发展，对飞机、运输等行业的产品品质提出了更高的要求，并对其质量提出了更高的要求。然而，在当前的大规模使用中，仍然存在着很多问题。首先是技术垄断，目前全球仅有美国、日本等少数几个拥有碳纤维材料的企业，而其他国家则没有太多的研究。其次，它的用途有限。碳纤维虽然物理、化学性能、弹性和强度都很高，但是在很多工业领域对其性能的要求很低，仅限于航天、交通运输等领域。最后就是碳纤维的价格了，因为碳纤维的价格实在是太高了，而且用途也变得更狭窄，想要普及，就需要不断的完善自己的生产技术，才能降低成本。另外，碳纤维原材料能耗高，排放高，对环境也有一定的影响。
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