了解碳纖維成本組成及其復合材料性能影響因素
1 碳纖維生產成本組成
碳纖維生產成本組成如圖1所示,主要包括原絲生產成本、裝備與設施折舊、勞動力、能耗等,其中近一半成本來自于原絲生產,而接近三成成本在于裝備與設施折舊費用。除了上述成本以外,其實影響碳纖維價格還有其他多種因素,如環境安全、質量安全、產品質量穩定性等。

▲ 圖 碳纖維生產成本組成
目前工業級碳纖維價格一般為10-25美元/kg,以用于汽車工業的50k大絲束碳纖維落地價為例(圖2),不同生產成本不同,主要原材料和設備成本基本不變,能源、勞動力和其他成本成為影響產品價格差異的關鍵因素,總體而言,目前汽車行業用工業級碳纖維成本從大約15-17美元/公斤。
2 碳纖維復合材料性能
PAN基碳纖維按照力學性能可以分為標準模量碳纖維(T300、T700等)、高強中模碳纖維(T800、T1000等)、高模碳纖維(M35J、M40J等)和超高模量碳纖維(M55J、M60J等),其中超高模量碳纖維是指拉伸強度高于500GPa的碳纖維。
碳纖維類型不同,其增強復合材料力學性能也不同,碳纖維/環氧樹脂單向復合材料主體性能與金屬對比如下表所示。無論何種類型碳纖維,對環氧樹脂基體進行增強后,復合材料的拉伸強度性能均具有一定的優勢。
金屬鋼拉伸模量達到210GPa,而超高模量碳纖維由于模量高,因此增強復合材料的拉伸模量要顯著高于金屬鋼,因此超高模量碳纖維復合材料剛度優勢明顯。此外,碳纖維復合材料另一明顯優勢在于材料體密度小,具有輕質高強特點。
3 碳纖維復合材料性能影響因素
由于碳纖維復合材料為各向異性材料,因此其力學性能除了取決于方向之外,還有其他多種影響因素:
◆ 碳纖維和樹脂的類型
◆ 碳纖維與樹脂的比例(纖維含量,纖維體積等)
◆ 碳纖維形式 - 單向,織物,編織,短切纖維
◆ 碳纖維取向 - 纖維鋪層設計
◆ 質量 - 纖維分布均勻,空隙等
雖然碳纖維復合材料性能影響因素較多,但是碳纖維復合材料較之金屬材料卻有著無法比擬的優勢,因為使用碳纖維和樹脂基體可以針對應用特性來進行專業化定制設計,如可以依據目標產品的強度、剛度,或者熱膨脹系數等性能,通過碳纖維類型、纖維含量、纖維取向等設計,改變材料結構并獲得理想性能,而金屬材料可以改變的只有金屬的等級、厚度或形狀。










































