PAN基碳纖維技術動向及發展趨勢

李　揚

(陜西工業職業技術學院，陜西咸陽 712000)

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PAN基碳纖維技術動向及發展趨勢

李揚

(陜西工業職業技術學院，陜西咸陽 712000)

摘要：隨著科技發展，我國碳纖維用品消費量位居首位，約占總消費量的80%～90%。國外碳纖維主要開發超高強度、超高模量的碳纖維。本文介紹了碳纖維復合材料在文體休閑領域的應用，PAN基碳纖維技術開發新方向包括：碳纖維性能的提高；基體樹脂技術；成型技術三個方面。

關鍵詞：碳纖維，技術動向，發展趨勢

當前，PAN基碳纖維向兩個方面發展：一是提高，二是普及。提高是指小絲束碳纖維(1K～24K)的質量提高，普及是指大絲束碳纖維(48K～540K)的產量大幅度增加，價格日趨下降。

隨著航空航天飛行器各項性能的不斷提高，對結構件用材料的性能要求也越來越高。國外碳纖維主要生產商都在積極地開發超高強度、超高模量的碳纖維。日本東麗公司已開發出高強型T1000系列碳纖維，其抗拉模量為295GPa，拉伸強度達7.05GPa，而高強高模MSJ型抗拉模量達640GPa，抗拉強度為3.62GPa。

在新工藝和新技術方面，日本三大公司和韓國cheil合成工業公司繼承發明了PAN原絲至碳化等系統的新技術，其中三菱人造絲公司提出相當于T700性能水平碳纖維的PAN原絲指標。美國wilkinson公司也在研制PAN原絲，而英國國防安全部在研制中空碳纖維原絲及碳纖維。在預氧化、碳化方面，東麗最近發表了30K～100K PAN基大絲束的燒成方法，可以使長度較短的大絲束進行連續碳化。三菱人造絲發明的新型碳化爐，可抑制碳化反應生產的分解物附著和堆積于爐壁和纖維上，從而穩定高效地生產高強度高模量的碳纖維。東麗公司則研制一種三葉形斷面的PAN原絲及碳纖維，可改進與樹脂的粘合性、壓縮強度和抗彎強度。

今后日本先進復合材料的發展方向是：在增強材料方面，進一步提高碳纖維的強度和模量，降低成本；在樹脂基體方面，主要提高樹脂的沖擊后壓縮強度和耐濕熱性；在復合材料成型技術方面，進一步實現整體成型技術，固化監控、自動化技術及三維復合材料技術，同時提高復合材料性能和降低制造成本。

1　制備碳纖維的新技術

1.1研究發展廉價原絲

在高性能碳纖維成本中原絲所占比例約為40%～60%，國外從兩方面降低原絲的成本，一是試探采用聚丙烯腈外的其它材料作為制備高性能碳纖維的原絲，包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯等其它聚烯類高分子材料以及木質素等；二是改進現有工藝聚丙烯腈原絲的技術，達到降低成本的目的，包括采用紡織用的聚丙烯腈、化學改性、輻照穩定化處理等[1]。

1.2研究發展新的預氧化技術

預氧化工序在高性能碳纖維成本中所占的比例約為15%～20%，而且預氧化工序的時間也比較長。縮短生產周期，降低成本有重大現實意義。目前在預氧化方面的新思路是采用等離子技術。

1.3研究發展新的碳化和石墨化技術

碳化和石墨化是制備高性能碳纖維的關鍵工序，在成本中所占比例約為25%～30%，對產品的最終性能影響極大。在碳化和石墨化方面的新思路是采用微波技術。

2　最新碳纖維技術動向

PAN基碳纖維技術開發新方向包括：碳纖維性能的提高；基體樹脂技術；成型技術三個方面。

2.1碳纖維性能的提高

為了適應用途方面的性能提高，謀求強度、彈性模量及成本的平衡：PAN基碳纖維的抗壓縮強度提高——通過把硼離子在高電壓下進行加速照射，使結晶結構微細化，抗壓縮強度可提高1.3～2.0倍；高彈性模量化——PAN基碳纖維彈性模量達到690GPa，抗拉強度達到3.4GPa；碳纖維的界面控制——為了提高耐沖擊性，使碳纖維和基體樹脂的粘接平衡，對碳纖維界面進行表面處理；碳纖維價格降低。

2.2基體樹脂技術

低溫固化的耐熱性樹脂；熱熔融樹脂；不燃樹脂；碳納米纖維配合碳纖維樹脂預浸料，提高層間抗剝離強度和耐壓縮強度。

2.3成型技術

努力開發成型的高速化、低價格化、適應批量生產的成型技術及中間體材料。這些技術包括：

高速成型技術：樹脂灌注成型、樹脂膜灌注成型(RFI)、RTM成型、擠拉成型、高速纏繞(FW)成型、SMC/BMC成型等技術并進行積累。

帶有數字控制(NC)的自動鋪層法：在航空飛機部件的高壓釜成型中，為了優先使曲面形預浸料鋪層合理化和高速化，引入了帶NC的自動鋪層機。

全自動纖維分布：復合材料的成型材料(窄幅預浸料)被開發出自動鋪層的先進裝置。

非加熱成型技術：由于電子射線和光固化為非加熱成型技術，是低成本、高性能的大型結構復合材料的制造方法。

RTM成型技術的進化：把批量生產、低壓、低溫、強化纖維體積分數、方向、位置設定自由等特征為研發的意向。

另外，因為補強材料、夾層芯材和嵌件一體成型的可行性，使船身等大型構件的成型成為可能。

ACM熱成型體系：由連續纖維增強熱塑性樹脂基體的ACM片材的成型法。

3　發展趨勢

當今世界碳纖維有如下發展趨勢：產品性能趨向于高性能化；低成本化，價格將從2006年約40美元/公斤大幅度降低；航天航空和文體用品領域用量穩定增加，民用工業用量增幅較大，已超過前兩者。特別是隨著大絲束碳纖維的大規模生產，其價格將不斷降低，民用工業用量將繼續保持大幅度增加的趨勢。目前，碳纖維的市場需求在北美、歐洲、亞洲基本上呈鼎足之勢。按應用領域劃分，世界聚丙烯腈基碳纖維主要用于宇航、文體休閑用品、其它工業等領域，其總體消費比例分別為25.2%、31.4%、43.4%，不同地區各有側重。文體用品方面，目前碳纖維材料已從釣魚竿和高爾夫球棒推廣到網球拍、羽毛球拍、高爾夫球桿、冰雪運動器材、水上運動器材等方面，需求量穩步、較快增長。其中高爾夫球桿、網球拍和釣魚竿是體育用品用碳纖維復合材料的三大支柱產品，約占該類產品的80%[2]。一般產業對碳纖維材料的應用發展比較迅速，包括基礎設施的修復、更新和加固；新能源開發如沿海油氣田、深海油田的鉆井平臺、管道和纜繩等，以及風力發電機的螺旋槳和風葉；汽車的剎車系統、轉動軸、車身以及環保汽車用的壓縮天然

氣氣瓶；電子領域的應用主要有通信、廣播、地球觀測、空間探測以及各種飛行器的高精度天線。一般產業的需求增長較快，將成為碳纖維新的主要應用領域[3-4]。

參考文獻

[1] 張文光，等.產業用紡織品與復合材料[J].產業用紡織品，2008(06)：42-44.

[2] 杜希巖，等.纖維增強復合材料在體育器材上的應用[J].纖維復合材料，2007(01)：34-36.

[3] 陳偉.碳纖維復合材料在體育器材上的應用[J].產業用紡織品，2011(08)：10-12.

[4] 陶浩，等.碳纖維自行車車架的研制與開發[J].玻璃鋼/復合材料，2007(04)：26-28.

中圖分類號：TS 19

Trend and Development Trend of PAN Based Carbon Fiber Technology

LI Yang

(Shaanxi Industrial Vocational College，Xianyang 712000，Shaanxi，China)

Abstract：With the development of science and technology，the consumption of carbon fiber products in China is the first，which is about 80%～90%of total consumption. Foreign carbon fibers are mainly developed in the development of ultra-high strength，ultra high modulus carbon fiber. This paper introduces the application of carbon fiber composite materials in the field of leisure and recreation，and the new direction of PAN based carbon fiber technology development includes：the improvement of the properties of carbon fiber，the technology of matrix resin，and molding technology.

Key words：carbon fiber，technology trend，development trend