碳纤维发展概况
时间:2005-06-25
高性能纤维是指耐热好、质量轻、强度高、高模量的特种纤维材料。作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有本征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代军民两用新材料，已广泛用于航空航天、交通、体育与休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。
粘胶基碳纤维于1959年开始生产，五六十年代是粘胶基碳纤维的鼎盛时期，虽然目前已开始衰退，但是它作为耐烧蚀材料至今仍占有一席之地。1959年，日本研究人员发明了用聚丙烯腈（PAN）原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道，PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流，产量占世界总产量的90％左右。1974年，美国联合碳化物公司开始了高性能中间相沥青基碳纤维Thornel－P55的研制，并取得成功。目前Thornel－P系列高性能沥青碳纤维仍是最好的产品，这样就形成了PAN基、沥青基和粘胶基碳纤维的三大原料体系。
我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，至今已有三十多年的历史。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，产品性能基本达到日本东丽公司的T200，国内也叫做高强I型碳纤维。我国从“六五”开始研制高强II型碳纤维（相当于T300），但历经20年，产品性能指标仍未达到T300标准，至今仍处于中试放大阶段。专家认为，制约我国碳纤维发展的“瓶颈”是PAN原丝质量没有真正过关。
对碳纤维发展的建议
碳纤维是一门多学科交叉、多技术集成的系统工程，质量的提升涉及到方方面面。可从以下几个方面优先考虑：研制高纯度原丝，把先天性缺陷降低到最小程度经大量检测表明，国产原丝和碳纤维所含碱、碱土金属和铁的含量比国外大得多。它们的存在不仅影响聚合和纺丝的稳定性，而且在高温碳化过程中逸走而残留下孔隙，所以，聚合所用原料要纯，纺丝空间应洁净化，所用设备应耐腐蚀。
原丝高强化经测试和有关资料表明，我国PAN原丝强度（力）比较低，国外在6.0g／d以上。在一定范围内，碳纤维的拉伸强度随着原丝强力的提高而提高，而提高原丝强力的技术措施之一是相应提高PAN树脂的分子量。
细旦化高强度碳纤维的发展趋势之一是单丝直径较细。直径越细，包含大缺陷的几率越少，尺寸效应十分显著。纳米碳纤维可望在性能上有大的突破。
均质化主要是纤维横截面由表及里结构均匀，性能一致。这就要求PAN原丝、预氧化纤维和碳纤维无明显的皮芯结构。纤维的皮芯结构易在凝固成纤过程或预氧化热处理过程产生，最佳工艺条件的选择则十分重要。
细晶化对于脆性材料，缺陷大小与微晶尺寸视为同一数量级。细晶化有利于对缺陷的控制和碳纤维抗拉强度的提高，特别是压缩强度的提高。细晶化应从聚合开始，贯穿于生产碳纤维的全过程。
