碳纖維發展概況
時間:2005-06-25
高性能纖維是指耐熱好、質量輕、強度高、高模量的特種纖維材料。作為高性能纖維的一種，碳纖維既有碳材料的固有本征，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代軍民兩用新材料，已廣泛用于航空航天、交通、體育與休閑用品、醫療、機械、紡織等各領域。
粘膠基碳纖維于1959年開始生產，五六十年代是粘膠基碳纖維的鼎盛時期，雖然目前已開始衰退，但是它作為耐燒蝕材料至今仍占有一席之地。1959年，日本研究人員發明了用聚丙烯腈（PAN）原絲制造碳纖維的新方法。在此基礎上，英國皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纖維的技術流程，使其發展駛入了快車道，PAN基碳纖維成為當前碳纖維工業的主流，產量占世界總產量的90％左右。1974年，美國聯合碳化物公司開始了高性能中間相瀝青基碳纖維Thornel－P55的研制，并取得成功。目前Thornel－P系列高性能瀝青碳纖維仍是最好的產品，這樣就形成了PAN基、瀝青基和粘膠基碳纖維的三大原料體系。
我國從20世紀60年代后期開始研制碳纖維，至今已有三十多年的歷史。1976年在中科院山西煤炭化學研究所建成我國第一條PAN基碳纖維擴大試驗生產線，產品性能基本達到日本東麗公司的T200，國內也叫做高強I型碳纖維。我國從“六五”開始研制高強II型碳纖維（相當于T300），但歷經20年，產品性能指標仍未達到T300標準，至今仍處于中試放大階段。專家認為，制約我國碳纖維發展的“瓶頸”是PAN原絲質量沒有真正過關。
對碳纖維發展的建議
碳纖維是一門多學科交叉、多技術集成的系統工程，質量的提升涉及到方方面面。可從以下幾個方面優先考慮：研制高純度原絲，把先天性缺陷降低到最小程度經大量檢測表明，國產原絲和碳纖維所含堿、堿土金屬和鐵的含量比國外大得多。它們的存在不僅影響聚合和紡絲的穩定性，而且在高溫碳化過程中逸走而殘留下孔隙，所以，聚合所用原料要純，紡絲空間應潔凈化，所用設備應耐腐蝕。
原絲高強化經測試和有關資料表明，我國PAN原絲強度（力）比較低，國外在6.0g／d以上。在一定范圍內，碳纖維的拉伸強度隨著原絲強力的提高而提高，而提高原絲強力的技術措施之一是相應提高PAN樹脂的分子量。
細旦化高強度碳纖維的發展趨勢之一是單絲直徑較細。直徑越細，包含大缺陷的幾率越少，尺寸效應十分顯著。納米碳纖維可望在性能上有大的突破。
均質化主要是纖維橫截面由表及里結構均勻，性能一致。這就要求PAN原絲、預氧化纖維和碳纖維無明顯的皮芯結構。纖維的皮芯結構易在凝固成纖過程或預氧化熱處理過程產生，最佳工藝條件的選擇則十分重要。
細晶化對于脆性材料，缺陷大小與微晶尺寸視為同一數量級。細晶化有利于對缺陷的控制和碳纖維抗拉強度的提高，特別是壓縮強度的提高。細晶化應從聚合開始，貫穿于生產碳纖維的全過程。
