碳纤维研究进展及发展现状

碳纤维研究进展及发展现状

作者：罗玲

来源：《中国科技博览》2013年第16期

中图分类号：TQ342+.742 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0161-01 1 碳纤维简介

化学组成中碳元素质量分数在90%以上的纤维材料可以称其为碳纤维。它是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500℃所形成的纤维状碳材料。碳纤维具有十分优异的力学性能碳纤维的密度不到钢的1/4，但抗拉强度却是钢的7～9倍，抗拉弹性也高于钢，同时碳纤维还兼具其他多种优良性能如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、电及热传导性高等优异性能。因此碳纤维广泛的应用于国防，军事，体育等领域。提高碳纤维性能的方法 2 碳纤维发展概况

聚丙烯腈基碳纤维的生产在21世纪初已基本成熟，主要分为以日本为主的小丝束碳纤维（12k以下）生产和以美国为主的大丝束碳纤维（48k以上）生产两类产品[4-5]。小丝束碳纤维生产追求高性能、高质量的碳纤维，引领着世界碳纤维技术的发展。而大丝束碳纤维生产对PAN原丝性能要求比较低，生产成本低，适合一般民用市场。目前全世界大批量生产小丝束PAN基碳纤维的厂家主要有东丽、东邦集团和三菱人造丝公司。东丽公司掌握着世界高性能碳纤维的生产技术，其公司碳纤维产品T1000单丝的抗拉强度为7.02GPa，是世界上拉伸强度最高的PAN基碳纤维产品。PAN基碳纤维的性能从T300到 T1000，从M30S到MJ60不断提高，这是世界PAN基碳纤维发展的一个重要方向。

我国研制PAN基碳纤维开始于上世界60年代，70年代初期，在实验室突破了连续预氧化和炭化工艺。1974年7月，中国科学院山西煤炭化学研究所开发设计了我国第一条碳纤维生产线，于1976年建成。但是由于西方国家的技术封锁，碳纤维工业发展缓慢，碳纤维产量和产品质量与先进国家和地区相比有很大的差距，而且不能满足市场发展的需要[7]。研发高性能、高质量碳纤维满足我国防军工和民用领域，是我国碳纤维产业发展的急迫任务[8]。 地区的台塑公司是一家非常有影响力的碳纤维生产公司，他们依靠自己的雄厚实力牵引，与逢甲大学等科研单位合作发展自己的PAN纤维及碳纤维技术，在很短的时间内，发展成为世界上非常重要的碳纤维生产商。有一条成功的经验值得提出，就是其碳纤维的生产设备是由世界各国先进的设备组合成的。 3 PAN纤维的化学改性

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适当的化学试剂在一定条件下处理PAN纤维可以改善纤维的某些性能，如力学性能、抗静电等或制得所要的PAN基碳纤维的结构和性能。 3.1 降低金属离子的含量

制备碳纤维用PAN纤维时需要避免纤维被金属杂质离子污染，混入金属杂质离子不仅会影响PAN聚合过程的稳定性，而且也是大分子链中碳的氧化催化剂。在PAN纤维的预氧化，碳化等热处理过程中，金属杂质会逐渐释放出来，形成一些孔洞缺陷，从而会降低碳纤维的性能。

3.2 设计理想的共聚单体和含量

PAN纤维中合适的共聚单体也是影响碳纤维质量的重要因素。因为共聚单体组分及配比的差异，一般纺织用PAN纤维不能制得高性能的碳纤维。然而均聚PAN纤维在预氧化过程中以自由基环化机理发生环化、交联反应，反应剧烈而不易控制，在较高温度下才开始进行放热反应，有严重的热集中现象，容易出现局部温度过高，导致熔融、燃烧等断丝行为，影响碳纤维的性能。

3.3 干—湿法纺丝

目前，提高PAN纤维性能主要方法有：提高PAN纤维聚合物聚合度，纺丝工艺采用干喷湿纺，多级蒸汽牵伸，采取这些工艺是为了提高PAN纤维的取向度，从而提高PAN纤维的性能。

3.4 碳化时施加高强磁场

把制得的预氧化纤维在氩气保护在高磁场下进行碳化，同时施加较大的张力，可制得高强度的碳纤维。可能的原因是高强磁场增加了纤维中碳环的各向异性，增加了网状结构的长度，从而提高了碳纤维的强度。 3.5 纤维的上油

国内长期缺乏用于PAN纤维生产的专用油剂，也是影响碳纤维性能一个重要因素。PAN预氧化纤维在炭化后必须不粘结、不融化、不燃烧、不断丝以及不起毛丝。 PAN纤维所用油剂的性能直接影响到这些现象发生与否。油剂耐高温性能差，导致纤维在热稳定时粘结，会降低纤维的性能；油剂抗静电性能差，导致纤维生产过程中缠绕，起毛甚至断裂，将严重影响碳纤维的质量。

3.6 高平均分子量PAN

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聚合物的平均分子量及其分布对聚合物加工成型工艺条件以及最终产品的质量有着非常密切的关系。一般来说，同系聚合物的平均分子量越高，其断裂强度越高；因此制备高强高模纤维的有效方法是提高聚合物的平均分子量[]。 4 碳纤维的应用

碳纤维主要应用在工业、体育用品、航空航天等方面，而风能、航空航天和建筑加固领域是今后最有发展潜力的应用领域 4.1 航空航天领域

碳纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能，广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天业。例如，飞机的主翼、尾翼和机体一次构造材料；副翼、方向舵、升降舵、内装材料、地板材、桁梁、刹车片等二次构造材料，以及直升飞机的叶片；火箭的排气锥体、发动机盖等；

4.2 体育用品

为了满足重量轻、刚性大的要求，传统的体育用品大多采用木材及其复合材料制品，但是，碳纤维增强复合材料的力学性能比木材高得多。由于碳纤维复合材料兼具树脂基体和碳纤维的特性，其性能随基体材料和碳纤维特性的不同而变化，且碳纤维的特殊性能让制造商控制产品的力学性能和动态性能，这并非金属等其他单一材料所能达到的。碳纤维增强复合材料的比强度、比模量综合指标在现有结构材料中是最高的。因此，它在体育用品方面得到了广泛的应用。

4.3 建筑加固领域

目前对工程建筑的要求越来越高，在有些条件下传统建筑材料很难满足这种发展要求，混凝土材料建筑物在20～30年就必须进行大修或维修加固。纤维增强复合材料的比强度远高于钢材，比模量大多数也高于钢材。这一优良的力学性能使其作为土木工程结构加固和修补材料在日本、美国、欧洲等国家和地区得到了大量的推广应用。 5 结束语

尽管我国的碳纤维生产发展缓慢，但消费量却与日俱增，市场需求旺盛。，而对于中国企业来说，经过多年技术攻关，已解决了碳纤维生产关键设备的国产化难题，打破了西方国家对中国碳纤维市场的长期垄断，希望未来十年我国碳纤维行业也可以立足于世界。