碳纤维复合材料要点

碳纤维复合材料要点（精选8篇）

碳纤维复合材料要点 篇1

碳纤维复合材料

摘要:主要介绍了碳纤维复合材料的基本概述，并对它的一些结构性能、应用（主要在航空领域的应用）、发展，并分析了目前我国碳纤维复合材料的研究进展和应用前景。

关键字：碳纤维复合材料、碳纤维树脂基复合材料、碳／碳复合材料、结构性能、发展、航空领域。

1、引言

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的“比强度”。碳纤维属于聚合物碳，是有机纤维经固相反应转变为纤维状的无机碳化合物。碳纤维是一种新型非金属材料，它和它的复合材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、比重小和热胀胀系数小等优异性能，碳纤维单独使用时主要是利用其耐热性、耐蚀性、导电性和其它性质。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，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（即碳纤维复合材料）的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。目前，碳纤维不仅广泛应用军事工业，而且在汽车构件、风力发电叶片、核电、油田钻探、体育用品、碳纤维复合芯电缆以及建筑补强材料领域也存在巨大应用空间，而其在航空领域的光辉业绩尤为引人注目。

2、碳纤维的发展

碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。经过二十多年的发展，碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优势。

我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。

3、碳纤维复合材料的性能及主要用途

由于碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。（1）碳纤维的化学性能

碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用，很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在≤250℃环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔结构，因此气孔率高达25％左右，在加热过程易产生吸附气体脱气情况，这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。（2）碳纤维的物理性能（a）热学性质

碳素材料因石墨晶体的高度各向异性，而不同于一般固体物质与温度的依存性，从工业的应用角度来看，碳素材料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素材料的种类而变化（b）导热性质

碳素材料热传导机理并不依赖于电子，而是依靠晶格振动导热，因此，不符合金属所遵循的维德曼—夫兰兹定律。根据有关资料介绍，普通的碳素材料导热系数极高，平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美(c)电学性质

碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度有关，石墨的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征，电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。

碳纤维的主要用途：

与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。最神奇的应用是采用长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实，太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射成本。

总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面

（一）航天领域

碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70％~80％，在军用飞机上占30％~40％，在大型客机上占15％~50％。（a）碳纤维树脂基复合材料 碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有质量轻

等一系列突出的性能，在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具有很大优势。碳纤维增强树脂基复合材料已成为生产武器装备的

重要材料。AV—8B 改型“鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26％，使整机减重9％，有效载荷比AV—8A飞机增加了一倍。数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22 为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。

直升飞机上碳纤维增强树脂基复合材料的用量更是与日俱增。武装了驻港部队并参加了2007 年上海合作组织在俄罗斯反恐军演的直-9 型直升飞机，是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生产的OH-1 “忍者”直升飞机，机身的40％是用CFRP，桨叶等也用CFRP 制造。在民用领域，世界最大的飞机A380 由于CFRP 的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。这种飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP)。由于CFRP 的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损，从而大大减少了油耗和排放。燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%~20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。(b)碳／碳复合材料

碳／碳复合材料是以碳纤维及其制品（碳毡或碳布）作为增强材料的复合材料。因为它的组成元素只有一个（即碳元素）,因而碳／碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点，如密度低（石墨的理论密度为2.3g/cm3）和优异的热性能,即高的热导率、低热膨胀系数,能承受极高的温度和极大的热加速率，有极强的抗热冲击,在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性，碳纤维增强基体的（C／C）复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料，都会选用碳碳复合材料。另外还大量用作高超音速飞机的刹车片，目前，国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。这种刹车副不仅质量轻、抗热冲击性好、摩擦系数稳定、使用寿命长，更为方便的是可设计性强，性能便于调节。还可制作发热元件和机械紧固件、涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。

（二）、其他领域 1)、高尔夫球棒

用CFRP制成的高尔夫球棒、可减轻重量约10一40％。根据动量守恒定律，可使球获得较大的初速度。另一方面．CFRP具有高的阻尼特性，可使击球时间延长,球被击得更远。2)、钓鱼竿

碳纤维增强复合材料制成的钓鱼竿比GFRP制品或竹竿都要轻得多，使其在撒竿时消耗能量少，而且撤竿距比后者远20%左右。CFRP所制的钓鱼竿长而好，刚性大，钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原，使其传递诱饵的感觉较为灵敏。现在已有商品销售，用碳纤维增强塑料还可以制成渔具的卷铀，其重量不超过l40克，但它的疲劳强度高，耐摩擦，因而使用寿命长。3)、赛车

用石墨纤维长丝制成的管材可用来制造比赛车或通用自行车的车架,其特点是重量轻，比钢制架可减重50%左右，使自行车的总重量减轻15%。

碳纤维与玻璃纤维混合增强复合材料可用来制造越野赛汽车，它的特点是重量轻。用金属材料制造的同样车体的总重量为226.8公斤，用CFRP制造时为63.5公斤，用CF／GPRP制造时重量可减轻到31.8至36.5公斤。

在赛车领域，碳纤维复合材料最著名的运用无疑是F1车身。为了使重量保持最小，所有车队都广泛使用碳纤材料，而这些材料的强固性足以支撑车子的重量。

4.我国碳纤维复合材料发展现状

现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为原丝，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起高温分解并且碳化后得到的，还不能直接用碳或石墨来制取。

据了解，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。在以“高性能聚丙烯腈碳纤维制备的基础科学问题”为主题的第335次香山科学会议上，会议执行主席、国家自然科学基金委员会师绪院士指出，与国外技术相比，我国碳纤维领域还存在较大差距。2007年，我国碳纤维产能仅200吨左右，而且主要是低性能产品。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，目前国内企业尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。这就使得我国碳纤维在质量、技术和生产规模等方面均与国外存在很大差距，绝大部分高性能增强材料都长期依赖进口，价格非常昂贵。由于缺乏创新与集成和应用领域的拓展，极大地制约了我国碳纤维复合材料工业的发展。

基于我国高性能碳纤维复合材料产业尚不能满足国民经济快速、健康、持续发展的需求，国家发展改革委2008~2009 年组织实施高性能纤维复合材料高技术产业化专项，重点支持碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维及其高性能复合材料的生产技术及关键装备的产业化示范，以满足国民经济以及航空航天等高技术产业发展的需求，培育一批具有国际竞争力的龙头企业。这一举措将为我国从材料大国转变为材料强国奠定坚实的基础。今年5月，由鹰游纺机自主研发的碳纤维生产线和神鹰碳纤维项目通过国家级验收，标志着我国碳纤维生产已成功实现国产化和产业化。

碳纤维复合材料要点 篇2

1.1 品种选择

应选择适应我县生态条件, 经审定推广的高产、高纤、抗倒伏、抗病性强的优良品种。如:黑亚16号、黑亚20号及适宜的国外品种等。

1.2 种子质量

品种纯度不低于99%和97%, 净度不低于96%, 发芽率不低于85%, 水份不高于9%。

1.3 种子处理

播前用占种子重量0.3%~0.5%的福美双或炭疽福美加水1%拌种。

2 选地选茬

应选择土层深厚, 结构疏松、肥沃, 保水保肥能力强的平川地、平岗地 (坡度小于15°) 和排水良好的二洼地。土壤p H值以中性和微酸性为宜。禁止选择近年使用过量残效除草剂 (如:咪唑啉酮类、磺酰脲类、异噁草松) 的地块种植亚麻。禁止重迎茬种植亚麻, 应实行4~5年的合理轮作。

3 整地

3.1 翻地

伏、秋翻地耕深为18~22 cm, 耕深一致。翻垡整齐严密, 不重耕、不漏耕, 不立垡、耕幅一致。地面应平整, 10 m长度内, 地表平整度小于或等于15 cm。减少开闭垄, 开闭垄距离应大于40 cm, 开垄宽度小于30 cm, 深度小于15 cm, 闭垄高度大于10 cm。地头横耕要整齐。

3.2 深松

深松深度25~30 cm, 以打破犁底层为宜。

3.3 耙地

耙深应达到16~18 cm。耙茬应采取对角线法, 不漏耙, 不拖耙, 耙后地表平整, 垄沟与垄台无明显差别。除土壤含水量过大的地块外, 耙后应及时镇压, 以防跑墒。

3.4 整地质量

耕整地作业后, 应达到上虚下实, 地块平整, 表土无大土块, 耕层无暗坷拉, 每平方米2~3 cm直径的土块不应超过5块。春整地时期应在土壤“返浆”盛期之前, 即土层化冻10 cm左右时进行。

4 施肥

4.1 施肥原则

通过土壤测试, 结合目标产量确定相应的施肥量和施肥方法, 按照有机与无机相结合、大量元素和微量元素相结合、氮磷钾合理配比的原则, 实行平衡施肥。在黑龙江省黑土地区亚麻施用氮磷钾有效成分的合理配比约1∶2∶3。

4.2 增施有机肥

以有机肥或生物肥料为主, 每亩施用腐熟无害优质有机肥1500 kg以上, 有机肥撒施, 结合整地耙入10~15 cm土中。

4.3 合理施用无机肥

无机肥应单施, 施肥深度在8~12 cm。不具备单施条件的应在播种时种、肥分箱施入, 避免烧种。可选用比例相近的复混肥, 至少每亩10~15 kg, 或磷酸二铵7 kg+钾有效成份4 kg。

5 播种

5.1 播期

4月25日~5月15日, 播层土壤温度稳定通过7℃~8℃, 即进入播种适期。

5.2 播法

播种采用48行播种机, 实行7.5 cm行距的单条播或重复播。播深2~3 cm。在土壤黏重、水分充足、春季雨水较多的年份或地区, 播种深度宜浅, 不深于1.5~2 cm。在土壤干旱、墒情不好的地块播种深度宜深, 但不应深于5 cm。只要条件允许, 尽量播前播后镇压。

5.3 播量

根据种子播种品质的不同, 每公顷播种量大约120~150 kg, 采麻田每公顷保苗数1800~2000万株。

5.4 播种质量

整地、播种、镇压连续作业实现抗旱保墒, 一次完成。实际播量与计划播量误差为±3%, 行间播量误差为±3%, 播种均匀不断条。做到不重播, 不漏播, 深浅一致, 覆土严密, 地头整齐, 种满种严。

6 田间管理

6.1 化学灭草

在苗高10~15 cm, 禾本科杂草3~5片叶, 阔叶草2~4片时, 可选用拿扑净, 每公顷用12.5%的拿扑净乳油1.2~1.5 kg加二甲四氯0.75~1.0 kg或苯达松有效成分750~1125 g, 兑水500~600 kg均匀喷雾, 防除双子叶和单子叶杂草。

6.2 灌水

在亚麻快速生长前期和中期如遇土壤干旱应灌水1~2次。

6.3 灭虫

亚麻生育期间如遇草地螟大发生, 应及时喷洒高效氯氰菊酯。

6.4 药害救治

如果因农药残留或施药不当造成严重药害, 应及时喷洒磷酸二氢钾和相应的缓解剂油菜素内脂、复硝钠、萘二酸酐等。

7 收获

7.1 适期收获

麻田最佳收获时间在工艺成熟期, 即麻田有三分之一蒴果变黄褐色, 茎秆三分之一变黄色, 麻茎下部三分之一叶片脱落。

7.2 收获方法

目前亚麻基本上是机械收获, 雨露沤麻, 人工收获只是拔出车道。我国目前使用机械都收牵引式的拔麻机, 拔麻, 梳果同时完成, 脱出物用谷物康拜因除杂后晾晒。机械收获每天可收获7~10公顷。较人工相比, 成本低速度快。

摘要：本文介绍了纤维用亚麻的种子准备、选地选茬、整地、施肥、播种和田间管理等技术要点。

碳纤维复合材料在自行车上的应用 篇3

摘 要：自行车是人们日常生活中不可缺少的代步工具，深受世界各国人民喜爱，形成了巨大的自行车消费市场。随着现代社会的飞快发展，自行车已不仅仅是交通和运输工具，已具有集健身、旅游、竞赛等多种功能。因此迫切需要有新形态、新材料的自行车出现，以使自行车外观更具美感，更具轻量化，骑乘舒适性更好。

关键词：碳纤维；自行车；应用

碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料，碳纤维在自行车领域的应用，被称为自行车行业的“黑色革命”。碳纤维自行车具有以下优点：

精：塑性变形小，回弹性好，尺寸稳定性高。刚：弹性模量高，变形量小，骑行中不泄力。轻：材料密度小，用料量少，产品净质量轻。巧：流线型设计，骑行风阻小，骑行速度更快。

碳纤维自行车的创新之处在于：①采用高强、高模的碳纤维材料替代金属材料，减轻车身重量，制造出更适合选手使用的比赛用车。②采用人机工程学进行计算机模拟设计，使碳纤维自行车安全性更高，满足客户要求。③特殊的叠层技术，使其能制造出质量更轻，强度更高的碳纤维自行车车架及其部件。④利用碳纤维预浸料的可设计性，制造出特定造型的自行车或其部件，满足整车组装工序的特殊需求。⑤模压成型工艺，实现碳纤维自行车一体成型，无缝隙，结构强度高，产品造型美观。⑥采用高强度粘合剂进行连接和胶合固化工艺控制技术。

碳纤维自行车的制作流程：设计、裁剪、卷料、预型、成型、加工、胶合、补磨、涂装、组装等。按照碳纤维自行车主部件结构设计要求，将预浸料裁切成各种尺寸、各种角度；将裁切好的各种尺寸、各种角度的预浸料卷制到芯模上，卷制到规定尺寸后，取出芯模；将卷制好的碳纤维复合材料零部件对接，并穿入气袋。将预型好的部件半成品按工艺要求装入模具，在电热炉台上充气加压，加温固化；将成型好的部件经过加工处理，上胶插接后送到烤箱中固化；将胶合后的粗坯进行补土、喷漆、打磨。去除表面缺陷，达到表面平整光滑；贴上水标，喷漆、打蜡，然后组装成整车。

1 结构设计与材料裁剪工艺

为了确保自行车的安全性，轻量化。设计工程师依据力学原理在结构设计上采用碳纤维单向预浸布，进行合理裁剪形成0°、30°、45°、90°等纤维走向，将复杂的构件分解为每一片层逐一卷制叠成为预制件。单向预浸布的优点是强度高且稳定，叠层角度可设计，适合做碳纤维自行车的主结构，单向预浸布的叠层角度设计如图1所示。

单向预浸布经过不同的裁剪方式，可以得到不同的角度料。依据自行车各部分受力状况的不同，所使用的角度料就不一样。在车架座管端口、中变固定座处，需要用90度料来补强，增加抗压系数。

碳纤维编织预浸布，用做碳纤维自行车的外观，不仅增加了自行车结构件的强度，同时美化了碳纤维自行车的外观，显现了碳纤维织物的材料效果。

2 材料界面性能的研究

围绕碳纤维的表面改性以及配套树脂的设计和合成展开研究工作，目的是促进碳纤维与聚合物树脂基材的界面相容性，重点研究碳纤维及其改性产物与聚合物树脂复合后界面结构对材料使用性能的影响，归纳出碳纤维表面性质、碳纤维/树脂界面特性与复合材料性能三者之间的可控关系，实现碳纤维复合材料的优异性能。

3 外固内扩成型工艺

依据碳纤维预浸布树脂系统的特定要求，设计人员针对性地制定了外固内扩成型工艺，工艺控制主要是针对气压、温度和时间三个要素。在成型的过程中，随着温度和粘度的变化，物料胶化、软化、硬化。成型过程中还有一个很重要的技术要点，就是加压时间的控制。碳纤维复合材料主部件采用袋压成型法，即利用耐高温尼龙袋注入高压气体，将复合材料内的空气挤出，带动树脂的流动，使材料之间达到一定的密度，然后高温固化。因为产品的不规则性，在耐高温尼龙袋的选用时，一般会选用大于产品最大内径的规格，这样就造成在产品内径小于尼龙袋的情况下，尼龙袋会有一定的折叠。因而树脂在高温流动时，会在尼龙袋折叠的地方堆积，产生不规则的树脂块或造成纤维的不平整性。而过多的树脂堆积，不仅会增加产品的重量，而且会产生一定的应力，从而影响到产品的使用性能，我们使用EPS成型新工艺解决这一问题。利用EPS高可塑性，能制造比传统硅胶更加合理的内芯，利于产品造型的成型。预先固化的内芯，使产品内壁更加光滑、平整，减轻产品的重量，提高产品品质。在应用EPS工艺后，能利用其预先固定好的内芯型状，在贴料的过程中能保证材料的平整性，卷制的产品不易变形，从而减少因为产品变形带来的品质问题；利用预先固化好的外形，在树脂固化期间，完全避免了因为尼龙带的重叠而带来的树脂堆积，保证了产品内壁的平整性，降低了产品重量，提高了产品的品质。

4 技术措施

采用国产碳纤维，应用CAD，Pro/Engineer技术设计，ABS材料芯模，预型补料采用连续性碳纱，以保证更好的强度与刚性；使用轻克重FAW050和FAW075预浸料，结构采用图文并茂的方式，给予保证每片碳纱所贴位置更精准，从而发挥碳纱在结构中的更大优势，以节省出更多的重量空间，以达到车架等主部件更加轻量化目的。

碳纤维复合材料要点 篇4

林德春

潘

鼎

高

健

陈尚开

（上海市复合材料学会）

（东华大学）

（连云港鹰游纺机集团公司）

碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在 90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在 2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。

可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。

本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。

航空领域应用的新进展

T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的 为拉伸强度达到 5.5GPa，断裂应变高出 T300 碳纤维的 30％的高强度中模量碳纤维 T800H 纤维。

（1）军品

碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维 复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环 氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了 明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身 段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。

美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人驾驶的“星舟”轻型机，结构质量约1800kg，其中复合材料用量超过1200kg。1986年美生产的“旅行者”号轻型飞机，其90%以上的结构采用了碳纤维复合材料，创下了不着陆连续九天进行环球飞行的世界记录。Boeing公司用GF / PPS制造海军巡航导弹的壳体，Du Pont公司用GF、KF / PA、PPS，制造军机的零部件。

由于碳纤维增强复合材料不但是轻质高强的结构材料，还具有隐身的重要功能，如

CF/PEEK 或 CF/PPS具有极好的宽峰吸收性能，能有效地吸收雷达波。美国已用来制造最新 型的隐形轰炸机。美国的P－22 超音速飞机的主要结构就是采用了中等模量的碳纤维增强的特种工程塑料。幻影III战斗机的减速降落伞盖和弹射的弹射装置也由这种材料制成。已成功地用于飞机的肋条、蒙皮及一些连接件、紧固件等雷达波的吸收件。战斧式巡航导弹壳体、B-2隐型轰炸机的机身基材，F117A隐型飞机的局部也都采用了碳纤维改性的高分子吸波材料。

英国ICI公司用GF/PA生产战斗机上的阀门，使飞机阀门在很宽的温度范围内与燃料长 期接触也能保持其性能和形状的稳定；其它国家的飞机F/A-

18、RAH-66、A330 / A340、B77、Y-22上面也都采用了这种材质来制造机翼、蒙皮、主承力结构、中央冀盒、地板、尾 冀、设备箱体及结构件。

大量采用碳纤维复合材料为部件的中国新型号的军机“飞豹”飞机总长约22.3米，翼展约12.7米，最大起飞重量28.4吨，最大外挂重量约6.5吨，最大M数1.70，转场航程约3600公里。该机的攻击威力已超过“美洲虎”、“旋风”、苏-24等飞机，具备了第三代战斗机的特点。

（2）民品

在民用领域，555座的世界最大飞机A380由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP), 3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维－金属板（铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构）。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封 框——复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后，A380又一次对连接机翼与机身主体结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻重量1.5吨。由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%--20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。

航天领域新进展

(1)火箭、导弹

以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料，在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用，美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，如美国三叉戟-2 导弹、战斧式巡航导弹、大力神一 4 火箭、法国的阿里安一 2火箭改型、日本的 M-5火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为 5.3GPa 的IM-7 碳纤维，性能最高的是东丽 T-800 纤维，抗拉强度 5.65Gpa、杨氏模量 300GPa。

我国各类战略和战术导弹上也大量采用碳纤维复合材料作为发动机喷管、整流罩防热材料。我国九十年代后期开展了纤维增强复合材料材料壳体的研究，进行了 T300 CFRP 固体火箭发动机壳体的基础试验、壳体结构强度试验、点火试车等全程考核;完成了 12K T700 CFRP壳体结构强度试验，开展了 T800 碳纤维 CFRP多种壳体的预研实验。

（2）卫星、航天飞机及载人飞船

高模量碳纤维质轻，刚性，尺寸稳定性和导热性好，因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。

碳纤维增强树脂基复合材料被作航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。美国发现号航天 飞机的热瓦，十分关键，可以保证其能安全地重复飞行。一共有 8 种：低温重复使用表面绝热材料 LRSI；高温重复使用表面绝热材料 HRSI；柔性重复使用表面绝热材料 FRSI；高级 柔性重复使用表面绝热材料 AFRI；高温耐熔纤维复合材料 FRIC—HRSI；增强碳/碳材料 RCC；金属；二氧化硅织物。其中增强碳/碳材料 RCC，最为要的，它可以使航天飞机承受 大气层所经受的最高温度 1700℃。

碳纤维复合材料要点 篇5

碳纤维增强树脂基复合材料的热失重特性研究

在实验室研究了两种典型的树脂基复合材料T300/5405和T300/HD03热老化过程中的.热失重特性,得到了几种不同温度下两种树脂基复合材料的热失重-时间曲线及失重速率-时间曲线.由此定性地分析了温度、时间对树脂基复合材料热失重特性的影响,确定了树脂基复合材料热老化过程由物理老化为主向化学老化为主转变的临界温度.

作 者：陈新文 李晓骏 许凤和 CHEN Xin-wen LI Xiao-jun XU Feng-he 作者单位：北京航空材料研究院,北京,100095刊 名：航空材料学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS年，卷(期)：20(3)分类号：V258+.3关键词：树脂基复合材料 热失重特性 物理老化 化学老化 临界温度

高性能碳纤维材料项目建议书 篇6

项

目

建

议

书

第一章研究背景

一、定义

碳纤维是先进复合材料最常用的也是最重要的增强体。碳纤维是由不完全石墨结晶沿纤维轴向排列的一种多晶的新型无机非金属材料。化学组成中碳元素含量达95%以上。

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；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1000兆帕（MPa）、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。碳纤维制造工艺分为有机先驱体纤维法和气相生长法。有机先驱体纤维法制得的碳纤维是由有机纤维经高温固相反应转变而成。应用的有机纤维主要有聚丙烯（PAN）纤维、人造丝和沥青纤维等。将有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的，其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。气相生长法制得的碳纤维称气相生长碳纤维。

二、行业形势

虽然当前世界经济发展面临重重危机，但碳纤维的需求仍在升温。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碳纤维新市场正在兴起。据相关部门预测，世界碳纤维需求每年将以大约13％的速度飞速增长，预期2012年聚丙烯腈(PAN)基碳纤维全球需求量将达6万吨，到2018年需求量将达到10万吨。7大碳纤维制造商——东丽、东邦、三菱丽阳、SGL、Hexcel、Cytec和Zoltek，已宣布计划在未来3～5年扩产78%，总投资额为87970万欧元(13亿美元)，短期看来碳纤维会供不应求。国际碳纤维市场发展迅速，需求量不断增长给我国碳纤维行业，提供了难得进一步发展的机遇。但我国碳纤维行业基础薄弱，产业发展需要技术、人才和资金的持续投入，而且其应用领域对产品品质的要求非常严格。客观地说生产企业应量力而行，整个行业也应发出明确的信息、引导企业正确投资，使我国碳纤维产业快速健康地发展。

第二章研究内容

一、碳纤维性质

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，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。它的比重不到钢的1/4，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230~430Gpa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/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。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，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。

综观多种新兴的复合材料（如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。

二、碳纤维的产品形式及制造工艺

碳纤维有四种产品形式：纤维，布料，预浸料坯和切短纤维。布料指的是由碳纤维制成的织品。预浸料坯是一种产品，是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料刚树脂浸泡使其转化成片状。切短纤维指的是短丝。按照不同的配比，这些产品和树脂一起应用将形成碳纤维强化塑料(CFRP)。将树脂附在纤维上可以制成压力容器和轧滚，将它们缠绕在一个芯儿上，然后进行塑化或硬化处理。这种方法被称为“缠绕成型法”。将布料放入一个模型中，然后用树脂浸泡，这就是所说的“树脂转注成型法(RTM)”。飞机元件的制造是通过在高压釜中给预浸料坯加热，加压和塑化成型而成的。将预浸料坯缠绕在一个芯儿上，然后将其加热和塑化，这就是所说的“薄片缠绕法”，用这种方法可以用来制成高尔夫球棒和钓鱼杆。

三、产品种类

1、聚丙烯腈基碳纤维

聚丙烯腈纤维制备碳纤维属于有机先驱体纤维法。即将有机纤维在200℃——400℃氧化介质（如空气、氧、臭氧、一氧化氮、二氧化氮、三氧化硫等）气氛中进行低温处理，纤维内部发生交联、环化、氧化脱氢、脱水、脱二氧化硫以及热分解等复杂的化学反应，使其变为热稳定型结构，能承受进一步高温处理，并保持现状而不熔融。此阶段是形成纤维的稳定化过程，也称预氧化。将这种纤维再在1000℃——1500℃的惰性气氛（高纯氮）中进行高温处理，此时纤维内部产生交联、环化、缩聚、芳构化等一系列化学反应。排除其中非碳原子，使碳含量达90%～96%，并形成石墨的乱层结构，即获得碳纤维。

PAN纤维分子易于沿纤维轴向取向，碳化收率（1000～1500℃）为50～55%，在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏，此外在180℃附件存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理，这些特点使其成为迄今发展高性能碳纤维最受人注目的先驱体。先驱体纤维的质量和性质是生产高性能碳纤维的前提。优质的原丝具备高纯度、高强度、高取向度、细旦化、致密化、结晶度、原丝圆形截面形状，变导系数等性能。有了制造PAN基碳纤维的方法，也有了制造技术，所以制造高性能PAN基碳纤维原丝质量又成为一个技术焦点。事实证明谁掌握了制造高质量的PAN基原丝谁就掌握了主动权。

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。

2、沥青基碳纤维

沥青基碳纤维成为目前碳纤维领域中仅次于PAN基的第二大原料路线。沥青基碳纤维分为两大类：一类是通用级，由各向同性沥青制造；另一类是高性能级，由各向异性中间相沥青制造纤维。

3、粘胶基碳纤维 木材棉籽绒或甘蔗渣等天然纤维素与NaOH和CS2反应生成纤维素磺酸钠，提纯后采用一步或两步法制得粘胶，再经湿法纺丝成型和后处理等工序而制成碳纤维。

从粘胶纤维开发成碳纤维有三个主要步骤：a、低温分解过程（小于400℃）；b、炭化过程（小于1500℃）；c、石墨化过程（大于2500℃）。

由粘胶纤维热解制得的碳纤维的得率通常在10～30%，由粘胶纤维制得的碳纤维，横截面形状大多不规则，一般呈树叶状。粘胶基碳纤维主要用于耐烧蚀材料和隔热材料。到目前为止粘胶碳纤维仍占据着其他碳纤维不可取代的地位，仍是重要的战略物资。

粘胶基碳纤维产量不足世界碳纤维总产量的1%。它虽然不会有大的发展，但也不会被彻底淘汰出局。在碳纤维领域仍会占有一席之地。

4、活性碳纤维

活性碳纤维是随着碳纤维工业发展而开发的新一代多孔吸附材料，也是传统吸附材料粉状活性炭的更新换代产品，我国有许多生产厂，如山西东绿活性碳纤维厂、山西省长治市郊区霍家工业总司活性碳纤维厂、鞍山市化学碳纤维公司、辽源化工新材料厂、秦皇岛山海关金龙环保材料厂、安徽佳力奇碳纤维有限公司河北中环环保设备有限公司以及XX市活性碳纤维厂等。

生产活性特性及其制品的原料主要有粘胶丝、PAN基纤维、沥青纤维和酚醛纤维等。原料虽然不同，但生产工艺基本相似，需经前处理或稳定化、炭化和活化工序。生产原理完全不同于碳纤维。生产活性碳纤维的过程尽可能造孔，使其具有多孔结构，而生产碳纤维则不同，尽可能消除孔隙裂纹或孔洞。

5、气相生长碳纤维

气相生长碳纤维（VGCF）和螺旋形碳纤维(CCF)属于功能型碳纤维。

气相生长碳纤维（VGCF）以低碳烃类为碳源，过渡金属铁、钴、镍等及其他们的合金、化合物等超细离子为催化剂，在氢气还原性气氛中使其烃类热解（1100℃左右）成碳而制得纤维状产物。

螺旋形碳纤维(CCF)的生成过程中，催化剂是基础，助催化剂是必备条件，如果没有助催化剂的存在，则生成VGCF。催化剂是过渡金属等，助催化剂为S/P等，他们生成共晶体；助催化剂的存在可降低共晶体的熔点，有利于CCF的生成。

第三章研究方法

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；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1000兆帕（MPa）、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%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括：纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括：脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。

第四章测试研究数据来源

一、测试与标准

1、碳纤维的拉伸性能测试分单丝法和复丝法。

下面首先对于单丝法拉伸予以描述：碳纤维分离成为单纤维以后非常脆弱，剪切强度很低，稍有不慎就会断裂，因此在每次试验过程中，需要细心、耐心，不要对试样造成损伤。国际标准ISO11566《碳纤维单纤试样的测定》和日标JISR7601《碳纤维试验方法》指出了采用纸框法固定试样，当然也不排除其他方法。中国的方法标准正在制定中，但是，检测方面的论述已经有很多：苏州经贸职业技术学院、曲阜师范大学的张小英、张斌在2007年《纺织标准与质量》发表了《碳纤维拉伸性能的测试方法》，《纺织实验技术》（中国纺织出版社）《实验十五碳纤维强伸性能测试》等文章。单纤维强伸性能试验要采用能测试碳纤维的高强高模纤维强力仪，如CRE型碳纤维强力机（LLY-06E型电子碳纤维强力仪外观如图所示）。

2、试样制备

纸框法固定试样，剪取适当长度的该碳纤维试验样品，用钢针沿着纤维方向将其分离，使试验样品蓬松便于抽取。用取样盘来盛取试样，为保证测得结果的准确性，不能对碳纤维造成任何损伤。采用国外标准制作衬纸很麻烦，在试验过程中有人用电脑制图找到一个简单易行的方法。取0.1mm左右厚的打印纸做基片；按图1尺寸用Word制图，划出一个尺寸合适的框，复制满A4纸打印（图2是25mm隔距拉伸尺寸。若50mm隔距拉伸时，裁切线的长度应增加一倍）；直尺放与裁切线吻合后用刀片沿裁切线将实线部分裁除，然后两端贴上5mm宽的双面胶纸；抽取分离的单根碳纤维试验样品，沿中心虚线放上，并用双面胶纸固定。也可以用融化后的松香，将单根碳纤维“焊接”在纸框上，其“焊点”起到固定单根碳纤维的作用（试验证明：采用“焊接”方式没有双面胶纸固定方式好用，而且夹持试样时要离开“焊点”）；再用8～10mm宽的纸条，沿着裁切线宽度方向覆盖双面胶纸和试验样品端头，沿剪切线剪切分离成固定在单个纸框上的待测试样。注意碳纤维的取样比较困难，尤其处理后的碳纤维，很细，也很难分辨是一根还是两根，根据实验中曲线对比进行判断如果记录下的曲线斜率明显大于其他试样的很有可能是两根纤维，必要时可以用放大镜配合取样。

3、测试：

测试程序与仪器型号有关系。不同仪器型号其测试过程不同。下面分别用两种LLY-06E、LLY-06型单纤维强力仪的操作过程加以说明。打开仪器电源开关，设定操作程序，根据试验要求设定所需隔距，例如：25mm、50mm。

按试验要求设定试验拉伸速度（1～5）mm/min，本实验取：2mm/min，如果采用松香固定试样时，上、下夹持器夹持试样时要离开“焊点”，以免试样脱落和断裂。被测试样的一端夹持在电子式碳纤维强力仪的上夹持器上，试样另一端夹持在下夹持器上。采用恒定的拉伸速度拉伸试样，直至试样断裂。记录单次值的断裂强力和断裂伸长等技术指标，试验结束后仪器自动给出所有技术指标的统计值。和PC机联机可获得实时曲线，便于分析技术数据。

3.1、气动夹紧的拉伸试验（LLY-06E型）

将上述准备好的待测试样一端沿着裁切线宽度边缘，用上夹持器夹紧，另一端沿着裁切线宽度边缘被下夹持器夹紧，并将夹紧的待测试样两侧剪断，按“拉伸”，使下夹持器下行，试样断裂后，下夹持器自动返回。重复测试过程，做完设定次数。仪器会在试验过程中自动打印试验记录。由于夹持器没有直接夹持试样，减少了试样断裂在钳口的概率。该测试适用于气动夹紧夹持器的仪器。

如需联机，应在开启电源前接好PC接口，开启电脑、启动程序，根据要求设定数据，然后点击“实验”进入试验状态。

3.2、手动夹持器夹紧的直接拉伸试验（LLY-06型）由于社会上手动夹持、通用的单纤维强力仪较多，有人曾经在上面做过大量试验。这一类单纤维强力仪的夹持器不适合衬纸固定试样，只有用传统方式夹持拉伸，实践证明：只要仪器技术达标，虽然未曾拉伸断试样的概率比较高，细心一些也可以作，但是手法很重要。

将上夹持器取下平放在衬垫上，把一束碳纤维试验样品放在夹持器左前方；右手向右抽取一根碳纤维，左手推动夹持器（注：右手不动），配合碳纤维导入夹持器钳口内适当的长度，右手脱开试样，左手旋紧夹持器。

左手把夹持器挂在传感器的吊钩上，这时试样呈自然悬垂状态，右手轻轻将碳纤维导入下夹持器内，左手将下夹持器旋紧；按“拉伸”键下夹持器开始下行，试样断裂后下夹持器自动返回。重复此过程以完成设定次数，仪器会在试验过程中自动打印试验记录。在实验中，如果试样经常断裂在钳口，可以考虑在钳口包覆一层衬垫。需要指出的是：属于不加预张力的拉伸，预张力夹会使试样未曾拉伸先断裂，致使夹持试样失败。

4、结论:从测得数据来看出了单根碳纤维的特性：断裂强力比较小，断裂伸长率很小，拉伸曲线呈线性，屈服点和断裂点几乎吻合，如图则是碳纤维单丝拉伸曲线。

第五章市场研究

一、市场规模

我国碳纤维现阶段绝大部分依赖进口。2004年全国碳纤维用量为4000吨，2005年用量在5000吨，年增长率在20%以上，到2009年将达到7500吨/年，而国内现有生产设计能力为90吨／年，且由于国内原丝质量、生产技术及设备等原因，实际年产量仅为40多吨，无论是质量和规模与国外相比差距都很大。

我国PAN基碳纤维的研究与开发始于20世纪60年代初，“九五”以来，我国碳纤维的发展经历了规模不大的技术引进及碳纤维民用制品领域的拓展，在生产规模及产品应用方面取得了一定的进步。一些高等院校，如北京化工大学、安徽大学、中山大学等也相继开展了CF研究。但就碳纤维行业来说，还存在着很多问题，如原丝品质低下，CF性能指标与国外差距大且不稳定，小型试验性生产及CF制造成本高昂，技术上还不具备规模化生产水平等。

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,有关专家认为,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。

二、竞争态势

1、国外碳纤维形势分析

世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克（ZOLTEK）、阿克苏（AKZO）、阿尔迪拉（ALDILI）和德车的SGL公司等。其中日本三大集团占世界生产能力的75%。当前世界上PAN基炭纤维正处于迅速增长的发展期：产品性能趋向于高性能化，T700S加快取代T300作通用级炭纤维；产量增加较快，1996~2000增长48.1%；航天航空和体育用品用量增加稳定，民用工业用量增幅较大，已超过前两者，特别是随着大丝束炭纤维的大规模生产，价格的降低，民用工业需求增加迅猛。世界著名的碳纤维生产企业，它们都在积极扩展碳纤维生产，继续加强其在世界市场上的主导地位，并纷纷实现从原丝到下游复合材料一体化的配套生产体制，碳纤维及其下游产品己成为这些公司的支柱产业和新的经济增长点。美国是碳纤维生产大国，更是消费大国，世界碳纤维40%以上的市场在美国。美国1996年碳纤维生产能力约为4500ｔ，其中卓尔泰克（ZOLTEK）公司1997年在美国德克萨斯州的亚平伦城和匈亚利的布达佩斯附近建了5条碳纤维生产线，1997年的总生产能力达3000ｔ左右，一跃成为世界上生产碳纤维的最大集团之一。目前，美国正在开发碳纤维复合材料的五大新市场，即清洁能源车辆、土木建筑工程、近海油田勘探和生产、风力发电机大型叶片、高尔夫球杆和球拍。这是推动美国和世界碳纤维复合材料大发展的动力。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的下降，在增强木材、机械和电器零部件、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用必将迅速扩大。除日美之外，德国、英国和韩国也具有一定碳纤维复合材料生产能力。据预测，今后十年世界碳纤维及复合材料需求量将稳定高速增长。国外碳纤维及复合材料业已步入良性循环，而我国目前尚不具备国际竞争能力。

2、国内生产厂家

目前，国内研究开发以及生产碳纤维的呼声很高，发展趋势令人鼓舞。下面分别对各地区的开发情况作一简介。

(1)上海地区。最近上海石化公司召开了碳纤维原丝发展研讨会，该公司准备投资过亿元，采用NaSCN一步法生产数千吨PAN基原丝，真正形成工业规模生产。上海星楼实业有限公司也制定了一套碳纤维产业化发展计划，拟建立400t／a大丝束碳纤维生产线，总投资也超亿元(包括下游产品)。此外，上海市合纤所采用亚砜两步法研制和小批量生产PAN基原丝以及碳纤维；上海碳素厂也有小型碳化线及碳纤维下游产品。

(2)安徽地区。“十五”期间，国家已批准在安徽蚌埠建立500t／aPAN原丝和TR 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。

(3)浙江地区。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，技术和设备引进，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查工作。根据国内外市场动向及投资与回报等问题，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。

(4)广西地区。桂林市化纤总厂拟建200t／a碳纤维生产线，产品为3—12K的小8-RD丝束碳纤维，投资也过亿元。

(5)山东地区。山东省已把碳纤维列入全省十大高技术产品开发工程首位项目。

有以下几个单位从事碳纤维及其制品的研究与生产，或准备介入碳纤维事业。

●山东天泰碳纤维有限责任公司。作为国家计委示范工程将建立400t/a生产线，碳纤维性能为T300级水平，产品以12K为主。计划400t/a投产后，再翻一番到800t/a，投资超亿元。技术协作单位是山东工业大学等。同时该公司积极开发和生产多种下游产品。

●青岛将建立50t/a左右的碳纤维生产线，青岛化工学院高分子工程材料研究所(恒晨公司)的介入，引起国内同行们的极大关注。

●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。

(6)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。

(7)兰化集团化纤厂已有100t/a原丝生产线和预氧化生产装置，计划配套碳化装置生产碳纤维。原丝采用NaSCN一步法。该单位的晴纶生产线是我国从国外首次引进的，有丰富的生产经验和技术积累。

(8)吉林碳素厂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，为国家作出了积极贡献。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。

(9)中科院山西煤化所研制碳纤维已有30多年历史。在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。

三、行业投资的热点

碳纤维的生产工艺短、成本构成比较简单，根据实地调研、碳纤维相关行业资料及工艺参数，可以大体测算出碳纤维原丝、碳纤维的生产成本。

根据目前丙烯腈1.3万元/吨的销售价格，我们可以大体测算出碳纤维原丝及碳纤维的生产成本，碳纤维原丝及碳纤维的生产成本分别为4.4万元/吨、18万元/吨。

目前军工级碳纤维（3-6K）的售价为200万元/吨（这一点可以从吉林东方神舟碳纤维（*ST吉碳（000928）持股100%）年产10吨碳纤维，05年实现销售收入2295万元进一步得到验证），民用碳纤维（12K）的售价为55万元/吨，而碳纤维的生产成本为18万元/吨，如以民用碳纤维为例，其毛利为37万元/吨，即便加上3万吨的营业费用和33%的所得税率，民用碳纤维的净利润也用25万元/吨，如果考虑军品售价200万元/吨和33%的所得税减免，则其吨碳纤维的净利将会达到170万元/吨。由于巨额利润的驱使，将会导至碳纤维的快速增长。且碳纤维产业是由原丝（PAN）生产再到预浸料再到具体的终端产家这么一个产业链。每一级的深加工都有高幅度的增值。

四、行业项目投资的经济性

据美国市场调研公司Lucintel统计，2008年碳纤维的产值为15亿美元，其中体育用品和休闲设备约占整个碳纤维市场的18%～20%，其余则主要用于航空航天、商业以及工业等领域。

Lucintel公司表示，全球碳纤维市值在2004～2008年的5年中一直以两位数的速度增长，预计至2014年，产值有望达到24亿美元。不过，体育用品和休闲设备在2007到2014年间的年均增长率将保持在3%左右。

据相关部门预测，世界碳纤维需求每年将以大约13%的速度飞速增长，2010年，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的全球需求量将达5万t，到2012年将达6万t，预计到2018年需求量将达到10万t。虽然2008年第3季度后世界经济发展面临重重危机，但碳纤维的需求仍在升温。有关专家预计，未来几年全球碳纤维需求仍将以年均两位数的增幅保持快速增长，市场供应短缺至少将延续到2010年。短期看来，碳纤维会供不应求，但到2015年，供应可能会超过需求。

第六章预算

1、一期投入10亿，其中试生产投入5亿，研究投入5亿，另外可从国家、当地政府部门申请专项技术研究院财政补贴预计1亿元。

碳纤维复合材料热防护涂层的研究 篇7

环氧改性有机硅树脂防热涂料是一种新型的功能性涂料,通过物质的消融和低热量的传导以保护基材。有机硅树脂涂料中通常添加空心玻璃微珠、无机短纤维等填料,这样可以大大降低涂料的导热系数,从而有效地降低热传导量。环氧改性有机硅防热涂料在高温气流的冲蚀下,环氧改性有机硅树脂会发生激烈地分解,首先是侧基分解;其次是主链骨架断裂,同时与带有羟基的硅酸盐类填料发生吸热化学反应,形成新的致密的隔热层;再者,填料的熔融、小分子的气化,这些均会带走一部分热量,从而起到保护基材的作用[3,4,5]。

1实验部分

1.1原材料

环氧改性有机硅树脂(HG-43),中昊晨光化工研究院有限公司;低分子聚酰胺树脂、硅烷偶联剂(KH550)、空心玻璃微珠、高岭土、云母粉、钛白粉、三氧化二锑、十溴联苯醚、气相二氧化硅,均为市售工业品;氢氧化铝、二甲苯,均为分析纯。

1.2配方

不同的填料大体上具有不同的作用。空心玻璃微珠具有质轻、导热系数低的特点,可有效地降低涂层的密度和导热系数[6]。钛白粉、高岭土作为耐高温填料,增加涂层的耐热性能。云母粉减少涂层的开裂、粉化,且具有一定的耐温性。这些填料还具有无毒、易分散,与树脂的匹配性较好等特点。硅烷偶联剂(KH550)是优异的粘结促进剂,能提高涂料与基材的附着力。防沉剂为气相二氧化硅,其粒径很小,因此比表面积大,表面吸附力强,可改善填料在液体体系中的悬浮性和分散性。复合型阻燃剂包括氢氧化铝、三氧化二锑、十溴联苯醚,可有效地抑制涂层燃烧[7]。

隔热抗烧蚀涂料的组成及配比见表1。

1.3主要仪器设备、生产厂家及测试标准

激光导热仪(LFA427型),德国耐驰公司,按照Q/G 261—2012测试;热失重仪器(TG 209F3型),德国耐驰公司, 按照GB/T 27761—2011测试;氧-乙炔烧蚀设备,自制,按照GJB 323A—96测试;涂层隔热性能测定仪器,自制;扫描电子显微镜(JSM-6460LV型),日本电子公司,按照JB/T 6842— 1993测试。

1.4样品制备

按照涂料配方称取各组分填料,一边搅拌一边加入环氧改性有机硅树脂中,然后再提高搅拌速度,最后加入固化剂, 制得涂料,倒入相应模具或是刷涂在100mm×100mm×4mm碳纤维复材板上,室温固化即可。

1.5性能测试

1.5.1涂层与碳纤维复板材的附着力

在碳纤维复材板涂上刷上涂料,采用画格法测定附着力。 按照QJ 990.14—86测试,在样板上3个不同位置分别画3mm×3mm的小格子25个,且划透至底材表面。用胶粘带粘附其上,并均匀压实,然后快速将胶粘带撕下,观察涂层脱落情况。

1.5.2热失重分析

采用热失重仪(TG209F3型,德国耐驰公司),按照GB/T 27761—2011进行热失重测试,升温速率为10℃/min,氮气作为保护气体,记录试样质量从25~900℃ 温度范围内的变化情况。

1.5.3涂层隔热性能测试

涂层隔热性能测试:采用马弗炉作为加热设备,炉口开有ф50mm的小孔,在小孔处放置1根温度传感线,并与测温仪器连接,可实时显示小孔温度。表面涂覆有涂层的碳纤维复材板背面同样放置1根温度传感线,并用铝箔胶带将其固定,最后将板材有涂料的一面盖住炉口小孔,通过温度传感器,实时记录复材板背面温度随着时间的变化。

1.5.4涂层的氧-乙炔烧蚀性能

氧-乙炔烧蚀测试:按照GJB 323A—96标准;试样尺寸为 ф30mm×10mm;烧蚀喷嘴直径为2mm,设置好氧气流量与乙炔流量之比为2∶1,烧蚀火焰温度为1400℃,并以90°的角度冲刷试样表面;测量试样烧蚀前后的烧蚀中心厚度和质量的变化,再除以烧蚀时间,即得试样平均线烧蚀率和质量烧蚀率,计算公式见式(1)、(2)。

式中,Rl为线烧蚀率,mm/s;l0和lt分别为烧蚀前后中心厚度,mm;Rm为质量烧蚀率,g/s;m0和mt分别是烧蚀前后试样质量,g;t为烧蚀时间,s。

1.5.5涂层热物理性能

导热系数测定:依据标准Q/G 261—2012,试样尺寸为ф12.7mm×2mm,采用激光导热仪测定样品的热扩散系数、比热容和密度,计算样品的导热系数见式(3)。

式中,λ 为导热系数,W/(m·℃);α 为热扩散率,10-6m2/s;Cp为比热容,J/(kg·℃);ρ为材料的表观密度g/cm3。

2结果与讨论

2.1环氧改性有机硅树脂的热失重性能

有机硅树脂具有优良的耐热耐寒、电绝缘、耐候及耐化学腐蚀等性能[8]。尤其是主链中含有Si—O—Si键,其中Si—O键键能为443.7kJ/mol,比C—O键(351kJ/mol)和C—C键(347kJ/mol)的键能都大许多,因此有机硅树脂具有优异的耐高温性能。但有机硅树脂的表面能低,摩擦系数小,与板材之间的粘接力较弱,不能形成粘接牢靠的防护涂层。使用环氧改性有机硅树脂便很好的综合了环氧树脂的优异粘接性、可室温固化和有机硅树脂优异的耐高温性等优点。环氧改性有机硅树脂固化后的热失重曲线见图1。

由图1可看出环氧改性有机硅树脂的起始分解温度在370.1℃附近,刚开始失重较为缓慢。随着温度升高,失重速率不断增加,当温度升至446.9℃ 时,环氧改性有机硅树脂的失重速率达到峰值。这是由于刚开始温度较低,环氧改性有机硅树脂的取代基或侧链上的基团首先发生分解;随着温度的逐渐升高,此时环氧改性有机硅树脂的主链中Si—O键、环氧基团,发生严重的断裂、降解等一系列反应。最终环氧改性有机硅树脂在900℃ 时失重率为51.07%。说明树脂的耐热性能良好。

2.2涂层热失重性能

将环氧改性有机硅树脂、固化剂和各种填料按一定比例配制而成的涂层,热失重曲线见图2。

由图2可看出,涂层的起始分解温度在379.6℃ 附近,起始失重较缓慢。当温度升至449.6℃时,涂层的失重率达到峰值。这是由于刚开始温度较低,树脂的取代基或侧链上的基团首先发生分解;随着温度的升高,树脂的主链发生严重的断裂、降解等一系列反应。同时,涂层里面复合型阻燃剂中的氢氧化铝在300℃时即会分解,失去水分。最终涂层在900℃时失重率为68.73%,比环氧改性有机硅树脂提高了17.66%。 可见,涂层的热失重性能较为优异。

2.3涂层与板材的附着力

胶粘带撕下后,在涂层切口交叉处有少许涂层脱落,但交叉切割面积受影响低于5%,测试结果表明其附着力达1级。 说明涂层与碳纤维复材板的界面粘接性能较好,在实际应用中,涂层不易脱落。

2.4涂层氧-乙炔烧蚀性能

涂层氧-乙炔烧蚀时间为10s,实验结果为氧-乙炔线烧蚀率为0.278mm/s,质量烧蚀率为0.0758g/s。该涂层具有较好的抗烧蚀性能。可从以下方面解释:(1)环氧改性有机硅树脂首先发生分解,生成的小分子挥发带走一定的热量;其中空心玻璃微珠可降低涂料的导热系数,较少热量传入内部;在400℃时会发生吸热熔融现象,可代替环氧改性有机硅树脂生成新的致密膜,从而进一步阻止热量向内部传播;(2)其他填料如钛白粉、云母粉、高岭土,均具有很高的耐热性能,能很好地提高涂料的耐高温抗烧蚀性能;(3)涂层里面含有复合型阻燃剂,可减少涂料的燃烧,其阻燃机理:树脂燃烧时会产生游离基·H、·OH和·O·的链式反应,十溴联苯醚在高温下分解生成溴化氢,溴化氢与·H、·OH和·O·反应生成水和氢气,终止链式反应,产生阻燃效果;此外氢氧化铝在300℃下便会分解,失去水分,生成氧化铝,吸收掉大量的热量;三氧化二锑在高温下会与十溴联苯醚分解产生的溴化氢发生反应,生成密度更大的溴化锑气体,而产生覆盖作用,从而隔绝或是稀释了空气,提高阻燃效果。

2.5涂层的热物理性能

涂层的热物理性能见表2。

材料的隔热性能主要取决于材料的导热性能,导热系数愈低,则材料的隔热性能愈好。由表2可知,涂层室温下的比热容为1107J/(kg·℃),导热系数为0.235W/(m·℃),热扩散系数为0.196×10-6m2/s。由室温升至150℃时,比热容增加了34.5%;热扩散系数逐渐降低;导热系数变化不大。可见, 涂层从室温到150℃范围内的导热系数均较低,具有较好的隔热性能。

2.6涂层的隔热性能

碳纤维复材板上涂层厚度为1mm,碳纤维复合板材正面温度为530℃,测定复材板的背壁温度随时间的变化,测试时间为30s,时间间隔为0.5s,测试结果见图3。

背壁温试验结果表明,空白复材板的背面温度在30s时间内由室温升至155℃。而表面涂有隔热涂层的复材板背面温度在30s时间内由室温升至60.8℃,比空白复材板降低了94.2℃,且复材板上的涂层没有发生脱落。可见该涂层短时间内对碳纤维复材板具有较好的隔热效果。

3结论

(1)热防护涂层主要由环氧改性有机硅树脂、空心玻璃微珠、滑石粉、高岭土、云母粉和阻燃剂等组成,二甲苯作为溶剂。

(2)该热防护涂层氧-乙炔线烧蚀率为0.278mm/s,质量烧蚀率为0.0758g/s,附着力良好,导热系数为0.235W/(m·℃), 且具有较好的隔热性能。

(3)涂料固化工艺简单,室温固化即可,可短时间用于碳纤维复材板的热防护。

参考文献

[1]徐光磊.含内衬纤维复合材料发射筒力学性能研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[2]张友华,陈连忠,张骞.导弹发射筒防热材料气动热冲击试验[J].宇航材料工艺,2011,41(2):128-130.

[3]陆洪彬,陈建华.隔热涂料的隔热机理及其研究进展[J].材料导报,2005,19(4):71-73.

[4]江伟辉,周健儿,等.烧蚀防热材料的显微结构研究[J].无机材料学报,2002,17(6):1233-1235.

[5]马天信.有机消融涂层防热隔热机理及组成分析[J].航天制造技术,2013(2):10-13.

[6]靳涛,刘立强.玻璃微珠在涂料中的隔热性能研究[J].涂料工业,2008,38(9):15-17,21.

[7]董中强,张良均,郑志强,等.复合阻燃材料和纳米气相二氧化硅对长效防污闪涂料性能的影响[J].绝缘材料,2009,42(1):59-62.

碳纤维复合材料要点 篇8

1.抽油杆防腐

1.1抽油杆腐蚀机理

抽油杆采油是常见的采油生产方式，在我国各大油田的生产井中占约80%。在有杆泵采油生产系统中，抽油杆的腐蚀以及与油管之间的偏磨，造成抽油杆及油管的损坏，影响油井的正常生产。因此，抽油杆的保护与防腐，对油田生产有着重要作用。

腐蚀疲劳失效是抽油杆的主要失效形式，抽油杆腐蚀疲劳是抽油杆在抽拉交变应力以及腐蚀介质的共同作用下产生的[1]。腐蚀疲劳的断裂源一般在抽油杆的表面上形成，在拉应力的作用下，会使得抽油杆覆盖的保护层破裂；同时由于受到腐蚀环境影响，破裂的局部发生电化学腐蚀形成腐蚀坑。因此可知抽油杆腐蚀是抽油杆发生疲劳断裂的发生源头。抽油杆安装环境中的氧、硫化氢、二氧化碳等腐蚀剂的存在，会加剧抽油杆的腐蚀。

常有的抽油杆腐蚀有以下几种形式：

（1）溶解二氧化碳腐蚀：

二氧化碳主要是局部腐蚀，在含有二氧化碳的环境中，钢铁表面与地层物质反应生成的腐蚀产物膜FeCO3，CaCO3等的不均一性以及破损，造成局部的二氧化碳腐蚀，甚至导致严重穿孔。溶于水的二氧化碳对钢铁的腐蚀比盐酸还要严重。

（2）氧腐蚀：

氧腐蚀是由于阴极上氧去极化反应的进行，促使作为阳极的金属不断被腐蚀。溶解氧对金属的腐蚀，主要是靠氧通过溶液向金属表面的传递来实现的，腐蚀产物是氧的氧化物FeO，Fe2O3，Fe3O4，及其氧化物的水化物FeO（OH）等。

（3）硫化氢腐蚀：

油气中含有的硫化氢和抽油杆的铁能够反应生成硫化铁，硫化铁在抽油杆表面积垢后作为阴极，抽油杆作为阳极，形成微电池，使抽油杆表面出现蚀斑。硫化氢与抽油杆钢发生作用，释放出氢原子，渗入钢的结晶边界，形成氢分子或与碳化合产生气泡，使抽油杆出现氢脆。

（4）硫酸盐还原菌腐蚀等。

硫酸盐还原菌是一种厌氧微生物，能够在还原水中的硫酸盐时产生硫化氢，造成抽油杆的硫化氢腐蚀，还原菌的腐蚀产物是黑色的硫化铁，其中有大量的硫酸盐还原菌。

1.2抽油杆防腐技术

目前国内外主要的抽油杆防腐技术有以下几种[2]：

（1）应用具有抗腐蚀能力的抽油杆：

抽油杆腐蚀严重的井可应用防腐杆，防腐杆是特殊抽油杆，具有良好的防腐效果，适用于各种不同腐蚀介质的油井。此方法已经成为主要的抽油杆防腐手段之一。

（2）牺牲阳极防腐装置：

根据电化学腐蚀原理，在抽油井腐蚀井段安装适当量的牺牲阳极金属以充当电化学腐蚀中的阳极来接受腐蚀，以保护管杆。具体防腐装置有牺牲阳极防腐油管短节和牺牲阳极防腐抽油杆接箍式扶正器，其内安装了锌铝合金块。

（3）井口加缓蚀剂技术：

通过在井口加入缓蚀剂从而在管、杆表面形成致密的吸附膜或沉淀膜，一方面可以把金属本体与腐蚀介质隔离开来以防治腐蚀，另一方面可以起到润滑的作用以减少磨损。

（4）应用固体缓蚀器（剂）：

固体缓蚀器是一根内装固相缓蚀剂的油管短节，将之安装于泵下筛管上，当液流经过固体缓蚀器时，固相缓蚀剂缓慢、均匀地溶解于其中，并起到与液相缓蚀剂相同的防腐作用，具有施工简便、省时省力、作用持久的优点。

2.碳纤维复合材料连续抽油杆的应用

2.1碳纤维复合材料连续抽油杆

碳纤维复合材料抽油杆是一种新型抽油杆，目前已广泛应用在石油开采方面，碳纤维连续柔性抽油杆克服了传统的钢制抽油杆诸如易腐蚀、自重大、易出现疲劳断裂、接头断脱、活塞效应等缺点，为日趋复杂的油藏开发提供了技术支持，有效地提高了油田的抽油杆防腐水平。

碳纤维抽油杆最早应用于美国，Delmonte等人对碳纤维抽油杆进行了一系列的疲劳性能试验研究，与其他材料抽油杆对比发现：玻璃纤维抽油杆剩余强度为20%；钢制抽油杆为40%；而碳纤维复合材料为90%。

碳纤维抽油杆按照基体树脂不同可以分为（1）酚醛树脂基/碳纤维复合材料抽油杆；（2）乙烯基酯/碳纤维复合材料抽油杆；（3）环氧树脂基/碳纤维复合材料抽油杆。

2.2碳纤维复合材料连续抽油杆[3]在深层砂砾岩油藏的应用

砂砾岩油藏是近年来常见的储藏类型，此类沉积体被生油凹陷和凸起所环绕，勘探潜力巨大。砂砾岩体储层的非均质性较强，内幕复杂，油气成藏的影响因素众多，对砂砾岩体的成藏规律影响较大。且对于深层砂砾岩油藏来说，通常地层流体的腐蚀性较强，其有杆泵生产开发中对抽油杆的腐蚀较严重。

本文分析常规各种抽油杆的防腐性能，同时介绍一种新型碳纤维复合材料连续抽油杆，具有密度小、弹性较好、耐腐蚀、抗疲劳性能好、活塞效应小、起下作业速度快等优点，可应用于深层砂砾岩油藏的有杆泵开发。

此种碳纤维抽油杆由耐腐蚀金属制成的两个金属端接头和碳纤维复合材料制成的杆体通过特殊的连续方式连接而成，结构图见下图1。

某油田开发一砂砾岩油藏，其埋深较深，储层流体腐蚀性较强，采用碳纤维有杆泵开采方案，先后有四口井采用了碳纤维抽油杆，与使用钢抽油杆柱相比，平均日增产液3.75t/d，平均增产率为95%。

3.结论

抽油杆采油是常见的采油生产方式，抽油杆的保护与防腐，对油田生产有着重要作用。

目前国内外主要的抽油杆防腐技术有应用具有抗腐蚀能力的抽油杆、牺牲阳极防腐装置、井口加缓蚀剂技术、硫酸盐还原菌腐蚀等。

本文介绍一种新型碳纤维复合材料连续抽油杆，具有密度小、弹性较好、耐腐蚀、抗疲劳性能好、活塞效应小、起下作业速度快等优点，并分析其实际应用情况，其与使用钢抽油杆柱相比，平均日增产液3.75t/d，平均增产率为95%，带来明显的经济效益，建议在油田推广使用。

【参考文献】

[1]吴则中，田丰，张海宴等.碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用前景.石油机械，2002，30（2）：53，56.

[2]朱波，蔡华苏，孙乃武.碳纤维复合材料柔性连续抽油杆开发及应用.石油机械，2003，31（1）：29-31.