碳纤维 大束丝和小束丝有何区别?

碳纤维丝束大小以24K以上为大丝束（丝束即每束含碳纤维根数）,24K一下为小丝束.

大丝束碳纤维主要应用与风电、汽车工业；小丝束碳纤维主要应用于军工、航空领域及其体育休闲领域.

大丝束碳纤维价格低,小丝束碳纤维价格高.

扫描电镜在研究复合材料中的应用扫描电镜是利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。扫描电镜是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器，它具有很高的分辨率。是复合材料研究中常用的分析测试仪器。1扫描电镜1.1扫描电镜的发展扫描电镜的设计思想早在1935年便已提出，1942年在实验室制成第一台扫描电镜，但因受各种技术条件的限制，进展一直很慢。 1965年，在各项基础技术有了很大进展的前提下才在英国诞生了第一台实用化的商品仪器。此后，荷兰、美国、西德也相继研制出各种型号的扫描电镜，日本二战后在美国的支持下生产出扫描电镜，中国则在20世纪70年代生产出自己的扫描电镜。前期近20年，扫描电镜主要是在提高分辨率方面取得了较大进展。80年代末期，各厂家的扫描电镜的二次电子像分辨率均已达到4.5nm。在提高分辨率方面各厂家主要采取了如下措施: (1)降低透镜球像差系数，以获得小束斑；(2)增强照明源即提高电子枪亮度(如采用LaB6或场发射电子枪)；(3)提高真空度和检测系统的接收效率；(4)尽可能减小外界振动干扰。目前，采用钨灯丝电子枪扫描电镜的分辨率最高可以达到3.0nm；采用场发射电子枪扫描电镜的分辨率可达1nm。1.2扫描电子显微镜的组成部分扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。每个部分都有其相应的作用。1) 真空系统真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。其中真空柱是一个密封的柱形容器，而真空泵用来在真空柱内产生真空。真空泵有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类，机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置钨枪的SEM的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的SEM,则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。成像系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端即为密封室，用于放置样品。之所以要用真空，主要基于以下两点原因：电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。

2）电子束系统电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成像。电子枪用于产生电子，主要有两大类，共三种。一类是利用场致发射效应产生电子，称为场致发射电子枪。这种电子枪极其昂贵，在十万美元以上，且需要极高真空。另一类则是利用热发射效应产生电子，有钨枪和六硼化镧枪两种。热发射电子需要电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的SEM上，电磁透镜必不可少。通常会装配两组汇聚透镜：顾名思义，汇聚透镜用汇聚电子束，装配在真空柱中，位于电子枪之下。通常不止一个，并有一组汇聚光圈与之相配。但汇聚透镜仅仅用于汇聚电子束，与成像会焦无关。物镜为真空柱中最下方的一个电磁透镜，它负责将电子束的焦点汇聚到样品表面。3）成像系统电子经过一系列电磁透镜成束后，打到样品上与样品相互作用，会产生次级电子、背散射电子、欧革电子以及X射线等一系列信号。所以需要不同的探测器譬如次级电子探测器、X射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要的信息。虽然X射线信号不能用于成像，但习惯上，仍然将X射线分析系统划分到成像系统中。1.3扫描电镜的工作原理扫描电镜的工作原理如图1所示。图1 扫描电镜原理图扫描电镜由电子枪发射出来的电子束，在加速电压的作用下，经过磁透镜系统汇聚，形成直径为5nm，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：二次电子、背反射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和透射电子等。这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序，成比例地转换为视频信号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。

1.4 扫描电镜的附件扫描电镜一般都配有波谱仪或者能谱仪。波谱仪是利用布拉格方程2dsin = ，从试样激发出了X射线经适当的晶体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角2 。波谱仪是微区成分分析的有力工具。波谱仪的波长分辨率是很高的，但是由于X射线的利用率很低，所以它使用范围有限。能谱仪是利用X光量子的能量不同来进行元素分析的方法，对于某一种元素的X光量子从主量子数胃n1的层跃迁到主量子数为n2的层上时，有特定的能量 = n1- n2。能谱仪的分辨率高，分析速度快，但分辨本领差，经常有谱线重叠现象，而且对于低含量的元素分析准确度很差。2．复合材料2.1.复合材料的定义复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。2.2．复合材料的特点复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到热膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合， 使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

2.3.复合材料的应用复合材料的主要应用领域有：①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的 壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。3.扫描电镜在复合材料中的应用3.1.材料断口的分析扫描电镜的另一个重要特点是景深大，图象富立体感。扫描电镜的焦深比透射电子显微镜大10倍，比光学显微镜大几百倍。由于图象景深大，故所得扫描电子象富有立体感，具有三维形态，能够提供比其他显微镜多得多的信息，这个特点对使用者很有价值。扫描电镜所显示的断口形貌从深层次，高景深的角度呈现材料断裂的本质，在教学、科研和生产中，有不可替代的作用，在材料断裂原因的分析、事故原因的分析以及工艺合理性的判定等方面是一个强有力的手段。3.2.直接观察原始表面它能够直接观察直径100mm，高50mm，或更大尺寸的试样，对试样的形状没有任何限制，粗糙表面也能观察，这便免除了制备样品的麻烦，而且能真实观察试样本身物质成分不同的衬度（背反射电子象）。3.3.观察厚试样其在观察厚试样时，能得到高的分辨率和最真实的形貌。扫描电子显微的分辨率介于光学显微镜和透射电子显微镜之间，但在对厚块试样的观察进行比较时，因为在透射电子显微镜中还要采用复膜方法，而复膜的分辨率通常只能达到10nm，且观察的不是试样本身。因此，用扫描电镜观察厚块试样更有利，更能得到真实的试样表面资料。

3.4.观察各个区域的细节试样在样品室中可动的范围非常大，其他方式显微镜的工作距离通常只有2-3cm，故实际上只许可试样在两度空间内运动，但在扫描电镜中则不同。由于工作距离大（可大于20mm）。焦深大（比透射电子显微镜大10倍）。样品室的空间也大。因此，可以让试样在三度空间内有6个自由度运动（即三度空间平移、三度空间旋转）。且可动范围大，这对观察不规则形状试样的各个区域带来极大的方便。3.5.大视场低放大倍数观察用扫描电镜观察试样的视场大。在扫描电镜中，能同时观察试样的视场范围F由下式来确定：F=L/M式中 F——视场范围；M——观察时的放大倍数；L——显像管的荧光屏尺寸。若扫描电镜采用30cm（12英寸）的显像管，放大倍数15倍时，其视场范围可达20mm，大视场、低倍数观察样品的形貌对有些领域是很必要的，如复合材料表面裂纹观察。从高到低倍的连续观察 放大倍数的可变范围很宽，且不用经常对焦。扫描电镜的放大倍数范围很宽（从5到20万倍连续可调），且一次聚焦好后即可从高倍到低倍、从低倍到高倍连续观察，不用重新聚焦，这对进行事故分析特别方便。3.6.进行动态观察在扫描电镜中，成象的信息主要是电子信息，根据近代的电子工业技术水平，即使高速变化的电子信息，也能毫不困难的及时接收、处理和储存，故可进行一些动态过程的观察，如果在样品室内装有加热、冷却、弯曲、拉伸和离子刻蚀等附件，则可以通过电视装置，观察相变、断裂等动态的变化过程。3.7.从形貌获得资料在扫描电镜中，不仅可以利用入射电子和试样相互作用产生各种信息来成象，而且可以通过信号处理方法，获得多种图象的特殊显示方法，还可以从试样的表面形貌获得多方面资料。因为扫描电子象不是同时记录的，它是分解为近百万个逐次依此记录构成的。因而使得扫描电镜除了观察表面形貌外还能进行成分和元素的分析，以及通过电子通道花样进行结晶学分析，选区尺寸可以从10μm到3

扫描电镜在研究复合材料中的应用

扫描电镜是利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。扫描电镜是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器，它具有很高的分辨率。是复合材料研究中常用的分析测试仪器。

1扫描电镜

1.1扫描电镜的发展

扫描电镜的设计思想早在1935年便已提出，1942年在实验室制成第一台扫描电镜，但因受各种技术条件的限制，进展一直很慢。 1965年，在各项基础技术有了很大进展的前提下才在英国诞生了第一台实用化的商品仪器。此后，荷兰、美国、西德也相继研制出各种型号的扫描电镜，日本二战后在美国的支持下生产出扫描电镜，中国则在20世纪70年代生产出自己的扫描电镜。前期近20年，扫描电镜主要是在提高分辨率方面取得了较大进展。80年代末期，各厂家的扫描电镜的二次电子像分辨率均已达到4.5nm。在提高分辨率方面各厂家主要采取了如下措施: (1)降低透镜球像差系数，以获得小束斑；(2)增强照明源即提高电子枪亮度(如采用LaB6或场发射电子枪)；(3)提高真空度和检测系统的接收效率；(4)尽可能减小外界振动干扰。目前，采用钨灯丝电子枪扫描电镜的分辨率最高可以达到3.0nm；采用场发射电子枪扫描电镜的分辨率可达1nm。

大丝束碳纤维的每一根丝束都有4.8万根纤维，每一根纤维的直径只有头发丝直径的1/7到1/8。上海石化研发生产的大丝束碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料。其力学性能优异，比重不到钢的四分之一，强度却是钢的7—9倍，并且还具有耐腐蚀的特性。

碳纤维是新一代增强纤维，被称为“新材料之王”“黑黄金”，可广泛应用于航空航天、能源装备、交通运输、体育休闲等领域。按丝束规格的不同，可以将其分为小丝束碳纤维和大丝束碳纤维。长期以来，我国主要在小丝束碳纤维方面实现了突破。随着我国首个万吨级48K大丝束碳纤维工程第一套国产线在中国石化上海石化碳纤维产业基地投料开车，并生产出性能媲美国外同级别产品的合格产品，我国大丝束碳纤维也从关键技术突破、工业试生产、产业化，成功走向规模化和关键装备国产化，一举破除了我国碳纤维生产和装备受制于人的被动局面。

发展“大丝束”可降低碳纤维成本

众所周知，碳纤维是新能源、节能环保、高端装备制造、新能源汽车等战略性新兴产业发展的基础，也是重大基础设施建设的新型结构材料，更是大型飞机、卫星、船舶等装备研制和更新换代的重要基础。

在业内，通常将每束碳纤维根数大于4.8万根（简称48K）的称为大丝束碳纤维。

“它每一根丝束都有4.8万根纤维，每一根纤维的直径只有头发丝直径的1/7到1/8。我们把碳纤维从特制的像花洒一样的纺丝喷头中喷出、挤出后，再对其进行像拉面条一样的牵伸就形成了大丝束碳纤维原丝。”中国石化上海石油化工股份有限公司（以下简称上海石化）碳纤维事业部副总经理李鹏介绍。

目前，国内每束碳纤维基本处于1000根至1.2万根之间，这样的碳纤维被称为小丝束碳纤维。但是由于小丝束碳纤维成本高，影响了下游企业应用碳纤维的积极性。

“我们发现如果要推广碳纤维实现工业化的应用，一定要发展‘大丝束’。”上海石化副总经理黄翔宇强调，我们在开发过程中发现48K大丝束碳纤维的优势是在相同的工艺条件下，能够大幅度地提高碳纤维的单线的生产能力，如果控制得好，它的质量性能也能得到保证，这样就能够实现低成本，从而打破了碳纤维高昂价格带来的应用局限。

用“中国技术”生产性能优异的碳纤维

碳纤维技术有着森严的技术壁垒，此前大丝束碳纤维生产技术主要掌握在美国、德国、日本的几家大公司手中。中国石油化工集团有限公司（以下简称中国石化）是国内第一家、全球第四家掌握大丝束碳纤维技术的企业。

大丝束碳纤维研发难在哪？上海石化相关技术负责人介绍，主要难点包括大丝束碳纤维制备过程中氧化反应放热的有效控制、一束丝4.8万根碳纤维的纺丝均匀稳定性控制，以及生产线连续运行周期和稳定性。

黄翔宇介绍，为了在大丝束碳纤维制备中真正用上“中国技术”，上海石化从装备到工艺，为大丝束碳纤维量身定制了专用生产线，如根据大丝束碳纤维的生产要求自行设计氧化炉、碳化炉，不仅成功掌握了控制温度场的关键技术，而且进行了节能型设计，可实现能源综合利用。

此外，上海石化采用聚合物分子链结构调控技术获得良好热性能原丝，系统研究纺丝原液流变性能保证原丝质量稳定性，开发特殊的连续生产技术，大大减少停车次数，极大提高生产效率。

上海石化研发生产的大丝束碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料。其力学性能优异，比重不到钢的四分之一，强度却是钢的7—9倍，并且还具有耐腐蚀的特性。

国产大丝束碳纤维已开始产业化布局

上海石化首条48K大丝束碳纤维国产线可实现规模化、高品质生产。该项目计划于2024年全部建成投产，届时将达到2.4万吨/年原丝、1.2万吨/年大丝束碳纤维产能。

自主研发大丝束碳纤维生产线投产，将给整个碳纤维市场带来哪些影响？专家分析，首先随着碳纤维国产化的不断推进，对市场最大的影响是进口碳纤维价格的下降。

数据显示，随着国内碳纤维国产化的推进，进口碳纤维价格预计将从最高每吨4.5万美元降至每吨1万美元左右，这对于全产业链应用来说是一个利好消息。

数据显示，2021年全球碳纤维需求量约为11.8万吨，其中大丝束碳纤维需求量为51400吨，占比约43.5%。2021年我国碳纤维需求量达到6.24万吨，较2020年增加27.7%，占全球碳纤维需求量的53%。专家表示，碳纤维在新能源、风电、光伏、汽车、体育用品等下游市场的应用需求将逐渐爆发, 渗透率不断提升。

业内专家称，中国碳纤维行业正处于快速发展阶段，根据目前各企业已宣布的投资扩产计划，如果所有建设项目可以顺利投产落地，“十四五”末期，中国新增碳纤维产能将达21万吨以上，其中新增大丝束碳纤维产能达17.6万吨，中国大丝束产能扩张时代将随之开启。

科技日报记者了解到，中国石化实现大丝束碳纤维量产之后，已经开始寻求和新能源汽车企业的合作，通过使用轻量化的碳纤维零部件，增加新能源汽车的续航里程。

“我们和蔚来有框架合作协议，和比亚迪也有合作。我们在做汽车轻量化的工作，已经进入了产业化布局。”中国石化首席专家庄毅说。

中国复合材料工业协会秘书长孟弋洁表示，2030年，我国大丝束碳纤维产值应该能达到500亿元量级，将带动千亿级的复合材料市场规模。

除了大丝束碳纤维的研发和生产，中国石化也正大力推进碳纤维复合材料的研发和应用。中国石化有关负责人表示，在未来的碳纤维产业发展中，中国石化将在科研方面继续加大投入，产业方面加快布局，机制体制方面深化创新，应用场景全面推广，同时，坚持走自己的道路，做自己的特色产品。在“十四五”末，中国石化将在多种工艺流程实现通用级、大丝束、小丝束、高性能等产品的全面突破，进行总体布局，满足国家各个领域的需求，为引领和推动中国碳纤维产业发展作出贡献。（记者 操秀英）

延伸阅读

全球碳纤维需求量持续增长

根据赛奥碳纤维《2016—2021全球碳纤维复合材料市场报告》，从全球的维度来看，碳纤维需求量从2016年的7.65万吨增至2021年的11.8万吨，复合年均增长率（CAGR）为9.02%，2021年同比增速从2020年的3.05%提升至10.42%，2025年预计全球需求量达20万吨。从国内的维度来看，碳纤维需求量从2016年的1.96万吨增至2021年的6.24万吨，CAGR为26.06%，2021年的同比增速高达27.69%，2025年预计国内需求量为15.93万吨。从应用领域来看，2021年全球和国内碳纤维的主要应用领域均是风电叶片。2021年全球碳纤维需求量占比前三的领域分别是风电叶片（27.97%）、体育休闲（15.68%）和航空航天（13.98%）；而国内占比前三的领域分别是风电叶片（36.07%）、体育休闲（28.05%）和碳/碳复材（11.22%）。风电叶片、体育休闲、航空航天、碳/碳复材等领域的需求占据了碳纤维市场需求的主要部分。

---