碳纤维

碳纤维

1120910318 刘思凯

摘要：碳纤维是一种具有很高强度和模量的耐高温纤维，为化纤的高端品种。碳纤维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。

碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，x射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。

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3 500 YlPa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为230 CPa～430 GPa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2 000 MPa／(g／em3)以上，而A3钢的比强度仅为59 MPa／(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。

关键词：碳纤维 生产 应用

正文：国外厂商联合制作碳纤维生产工艺探秘

筒管上的PAN母体丝在推绕后可按Trutzschler技术加工为CF丝束，此技术可保证丝束在全部加工过程保持绝对平行。PAN母体丝的第一个加工过程是：在选定的加热箱中使之氧化和稳定化，在此放热过程中，产生的热量以均匀的空气气流移去。为了保证具有均匀和可再现的质量，在加热箱的任意点上，所有丝束都能得到均匀的热处理。Eisenmann公司提供用于氧化的加热箱，具有空气气流和温度都很均匀的特点，用户可根据纤维的类型和所需的空气气流选用；除了传统的交叉气流和中心向外的气流外，Eisenmann公司还可提供气流垂直向下的设备；此外，公司还可根据用户要求定做。

接下来的碳化可分为两个过程：第一步是丝束在LT一炉中加热至1 000℃ ，接着在HT一炉中加热至1 800℃ ，对特殊用途的CF，可在UHT-炉加热至2 600℃ ，使之石墨化。Ruhstrat

公司提供的加热炉的温度误差可保持在正负3℃ 以内。

因该公司拥有百年以上高温技术方面的经验，和市场上相似的加热炉相比较，其电耗可降低50％ 以上。在PAN母体丝转化为CF的过程中，所排出的气体中含有氢化氰、氨、硅和焦油残渣等，其中低浓度的排出气体可经Eisenmann的一体化的再生加热氧化器热回收系统加以

净化，循环利用；高浓度的排出气体则用高湍流燃烧箱加以处理，此单独设计的能量回收系统，可将污染物氧化(即燃烧)，将所得热量加以利用。丝束在碳化后，可用电化学法，使之粗糙化，接着是中间染色，最后过程是浸润、上浆，使纱线结合在一起，并获得某

些涂层。以上过程都在Trutzschler的设施上作了安排，并采用了最新技术。经过上述

处理的丝束，可卷绕在筒管上，供下一步加工。

对一个理想的CF来说，特别要注意适当的母体丝材料的聚合和以后的纺丝。关于聚合，通常是将单体丙烯腈在水中采用“氧化还原引发系统(redox initiation systen)”使之聚

合，在链增长后沉淀下来，需要注意是要选定正确的温度和较短的聚合时间。为防止链的过长或过短，以及支化等副反应的出现，应在特制的、多级的、带搅拌器的、连续操作的罐

式反应器内进行。此反应器可由EPC工业工程公司提供。可用水来溶解丙烯腈，以代替有毒的、易爆炸的、易燃的有机液体，这就可使环境污染减少。因为反应进行的不完全，未反应的单体必须加以回收。所得固态PAN则加以干燥。下一步则是将此粉状固体物溶于溶剂中，溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基亚砜(DM—SO)；溶解所得的粘稠状物则进入Trutzschler母体生产线，此生产线由该公司创新的纺丝单元组成，它可产出均质的、同一形状的丝束，在丝束凝结和洗涤过程中，有关流体的浓度和流量也是均匀的，可防止磨擦点的出现。这都是由于采用了Trutzschler驱动管理智能化设施的结果。丝束由“接触干燥器(contact dryer)”干燥，并进一步进行收缩处理，最后卷

绕在筒管上，供下一步碳化等加工。

由碳纤维生产成本价来看，原丝占55％ 、所消耗电能占10％ 、工人工资占20％ 、所需N，占3％ 、其他占12％ J。可见在碳纤维的生产中，原丝是非常重要的环节，它不仅影响碳纤维的生产成本，更重要的是它决定了碳纤维品质的高低。目前，谁掌握了高品质原丝的生产技术，谁就能够生产高性能碳纤维。

我国自20世纪60年代开始碳纤维的研究开发，至今已有近40年的历史，但进展缓慢，同时由于发达国家对我国几十年的技术封锁，至今没能实现大规模工业化生产。并且，专家指出我国碳纤维的质量和生产规模与发达国家之间的差距不仅没有减小，而且越来越大。尤其是碳纤维原料的生产，我国生产聚丙烯(PAN)基碳纤维原丝有吉化集团碳纤维材料厂、中国科学院山西煤炭化学研究所、山西榆次化纤厂等。但是，总体上来说，我国碳纤维原丝生产水平不高。国内有许多碳纤维制品的生产厂家，但是高质量碳纤维制品的生产几乎都是采用进口高品质碳纤维原丝。所以我国碳纤维的需求长期依赖进口，严重影响了我国高技术的发展，尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展。统计数据显示，当前我国高品质碳纤维生

产能力占世界生产总量的1％左右，而需求则占世界总需求的7％左右。

我国碳纤维工业的研发及管理体制有待进一步提高。专家们对碳纤维及原丝的生产提出了一些技术改进建议：研究新型聚合体系，探索新的共聚单体 ；尽可能提高聚合物相对分子质量，并采用熔纺及干喷湿纺等新型纺丝方法制备高强度原丝 ；尽可能降低聚合物体系中的有害杂质粒子含量 ’加 ；采用共聚混纺丝方法。。 ；建立无尘纺丝环境 ；改进纺丝关键工艺与设备，实施均匀拉伸 川；选择氨基硅烷氧等高润滑性油剂 ；采用更先进的表面改性与整理技术 l7_。在管理体制方面，专家指出要生产高质量碳纤维就需要配套高稳定的原丝生产装置，要注重培养生产一线的专家，为碳纤维企业提供充足的科研资金，

建立新的碳纤维研究与用人机制 。

一个值得注意的现象是，目前国内对碳纤维的相关研究非常多，但是，转化成现实生产力的不多。笔者认为一方面，有待于技术的发展，使优秀的研究成果能够工业化；另一方面，研究人员应该合理选择科研课题，避免重复性的研究。

从我国目前大的形式来看，在“十二五”期间，我国碳纤维工业会有一个高速发展的机遇。众所周知碳纤维已在我国军事及民用工业的各个领域取得了广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺到运动器材、休闲用品等。

据报道，在“已经”取得辉煌成就的基础上，我国航天事业在“十二五”期间将实现更大跨越。载人航天技术的新突破、嫦娥绕月工程的实施、大推力运载火箭的研制，是近期中国航天事业的三大亮点。同时，目前已经启动大飞机的研制，无疑为材料工业，尤其是在航空航天上有着广泛应用的碳纤维增强复合材料描绘了美好的前景。

近几届奥运会和诸多世界性的大赛上，我国运动健儿们的出色表现，以及近期在北京召开的“中国国际体育用品产业论坛”，都大大促进了我国体育产业的发展，相应体育器材的发展也越来越受人瞩目，碳纤维网球拍、乒乓球拍等体育器材也为碳纤维提供了新的、更大的应用领域。有资料表明，美国等发达国家碳纤维在体育休闲领域的应用逐年上升，且增长率超过了航天航空、工业。这一趋势在我国也非常明显。

此外，碳纤维在我国其他领域的应用空间同样非常大。相信这样广阔的前景会大大促进我国碳纤维工业的发展。目前，我们的首要任务就是加紧突破关键技术，生产出优质碳纤维原丝及高品质碳纤维。

让我们国人奋起直追，尽快缩短与国际碳纤维先进水平的差距，尽早甩掉这个无奈的选择，让我们用我们国家先进的技术屹立于世界的东方。

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