材料工程评审论文碳纤维产业发展状况应用

　　现在工程技术讷河发展中碳纤维的应用管理技术主要体现在哪些方面，同时要如何来加强对现在材料的应用措施，这些是文章对这些方面的介绍。本文选自：《材料导报》,《材料导报》已于2009年全面改版，由月刊改为半月刊，分为《材料导报》(综述篇)和《材料导报》(研究篇)。 　《材料导报》(综述篇)每月10日出版，主要栏目有：材料科技发展评述、材料科技政策、新材料新技术介绍、信息发布、专题评论、人物专访及专稿、材料产业论坛、会议报道、国际动态及快讯等。

　　摘要：近些年来，随着我国整体实力的不断提升，对碳纤维的需求量也与日俱增，而我国碳纤维现阶段大部分依赖进口，2004年全国碳纤维用量为4000吨，国内实际产量仅为1O多吨，而且无论是质量还是规模与国外相比差距都很大。另据估测2009年我国碳纤维需求将达到7500吨，这表明我国碳纤维严重供不应求。尽管目前国际社会碳纤维的制造技术与产品对华出口有所松动，通用级碳纤维进口渠道已经开通，但高性能碳纤维对我国依然限制。

　　关键词：碳纤维,材料应用,材料论文

　　一、碳纤维的性能

　　1.1分类

　　根据原丝类型分类可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基3种碳纤维，将原丝纤维加热至高温后除杂获得。目前，PAN碳纤维市场用量最大;按力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度4种碳纤维;按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维，其中小丝束初期以1K、3K、6K(1K为1000根长丝)为主，逐渐发展为12K和24K，大丝束为48K以上，包括60K、120K、360K和480K等。

　　1.2性能

　　碳纤维的主要性能：(1)密度小、质量轻，密度为1.5～2克/立方厘米，相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2;(2)强度、弹性模量高，其强度比钢大4-5倍，弹性回复l00%;(3)具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂;(4)导电性好，25。C时高模量纤维为775μΩ/cm，高强度纤维为1500μΩ/cm;(5)耐高温和低温性好，在3000。C非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化;(6)耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。

　　通常，碳纤维不单独使用，而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料，该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到了广泛应用。

　　1.3应用领域

　　由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外，碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用，主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极，在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。

　　二、生产工艺

　　通常用有机物的炭化来制取碳纤维，即聚合预氧化、炭化原料单体—原丝—预氧化丝—碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝，其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料，干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法(干法和湿法纺丝)。

　　2.1干喷湿纺法

　　干喷湿纺法即干湿法，是指纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层(亦叫干段)，再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条，纺出的纤维体密度较高，表面平滑无沟槽，且可实现高速纺丝，用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。

　　干喷湿纺装置常为立式喷丝机，从喷丝板喷出的纺丝液细流经空气段(干段)后进入凝固浴，完成干喷湿纺过程;再经导向辊、离浴辊引出的丝条经后处理得到PAN纤维。

　　离开喷丝板后的纺丝液细流先经过空气层(干段)再进入凝固浴，干段很短，但对凝固相分离和成纤结构有着重大影响，在空气层，挤出的纺丝液细流中的溶剂急速蒸发，表面形成了薄薄致密层，细流进入凝固浴后可抑制双扩散速度;由于在喷丝板出口处产生膨胀效应，靠细流自身的重力以及牵伸力向下流动，然后经干喷湿纺的正牵伸可使胀大部分被牵伸变细后进入凝固浴;凝固浴采用低溶剂质量分数配比和低温凝固，低溶剂质量分数配比可加大溶剂与细流之间的质量分数差，加速扩散;低温可抑制扩散速度，利于沉淀结构致密化、均质化，最终纺出的原丝和所制碳纤维表面较平滑而无沟槽。

　　与纯湿纺相比，干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮芯结构的原丝，大幅提高了纤维的抗拉强度，可生产细特化和均质化的高性能碳纤维。

　　2.2 射频法

　　PAN原丝经过预氧化(200～350。C，射频负压软等离子法)、碳化(800～1200。C，微波加热法)到石墨化(2 400～2 600。C，射频加热法)，主要受到牵伸状态下的温度控制。在这一形成过程中达到纤维定型、碳元素富集，分子结构从聚丙烯腈高分子结构—乱层的石墨结构—三维有序的石墨结构。

　　国内有自主知识产权的“射频法碳纤维石墨化生产工艺”开辟了碳纤维生产的创新之路，它采用射频负压软等离子法预氧化PAN原丝，接着用微波加热法碳化，最后用射频加热法石墨化形成小丝束碳纤维。

　　三、碳纤维的发展

　　3.1国外发展

　　以PAN碳纤维为例，该纤维国际上研发已有30年左右，目前世界碳纤维的生产能力在3.4～3.8万吨左右，主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国台湾省。日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司(东丽、东邦以及三菱人造丝公司)依靠其先进的纺丝科学技术，形成了高性能原丝生产的优势，大量生产高性能碳纤维，使日本成为碳纤维大国，无论质量还是数量上都处于世界前三位，三大集团占据了世界75%以上的产量。

　　3.2国内发展

　　我国聚丙烯腈基碳纤维的研究开发始于20世纪60年代，当时由于碳纤维作为重要的军工产品，国外对我国进行严格技术封锁，使得当时我国聚丙烯腈基碳纤维基本上以自主研究开发为主。1976年中科院山西煤化所建成第一条聚丙烯腈基碳纤维中试生产线，生产出高强I型碳纤维，其产品性能基本达到日本东丽公司的T200。继而从“六五”开始试制高强Ⅱ型碳纤维(相当于T300)，但到目前为止产品性能指标仍未达到T300标准。吉林石化公司在采用硝酸一步法生产原丝的基础上，研究开发出性能基本接近T300的碳纤维，但该法对环境污染较大，因而现已放弃。由于种种原因我国碳纤维发展缓慢，表现为生产规模小、产品质量不稳定、产品规格少、品种单一、没有高性能产品、技术设备落后，大多没有形成规模效益，这些成为制约我国碳纤维发展的瓶颈。