PAN基碳纖維技術(shù)動(dòng)向及發(fā)展趨勢(shì)

李　揚(yáng)

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000)

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PAN基碳纖維技術(shù)動(dòng)向及發(fā)展趨勢(shì)

李揚(yáng)

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000)

摘要：隨著科技發(fā)展，我國(guó)碳纖維用品消費(fèi)量位居首位，約占總消費(fèi)量的80%～90%。國(guó)外碳纖維主要開(kāi)發(fā)超高強(qiáng)度、超高模量的碳纖維。本文介紹了碳纖維復(fù)合材料在文體休閑領(lǐng)域的應(yīng)用，PAN基碳纖維技術(shù)開(kāi)發(fā)新方向包括：碳纖維性能的提高；基體樹(shù)脂技術(shù)；成型技術(shù)三個(gè)方面。

關(guān)鍵詞：碳纖維，技術(shù)動(dòng)向，發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，PAN基碳纖維向兩個(gè)方面發(fā)展：一是提高，二是普及。提高是指小絲束碳纖維(1K～24K)的質(zhì)量提高，普及是指大絲束碳纖維(48K～540K)的產(chǎn)量大幅度增加，價(jià)格日趨下降。

隨著航空航天飛行器各項(xiàng)性能的不斷提高，對(duì)結(jié)構(gòu)件用材料的性能要求也越來(lái)越高。國(guó)外碳纖維主要生產(chǎn)商都在積極地開(kāi)發(fā)超高強(qiáng)度、超高模量的碳纖維。日本東麗公司已開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)型T1000系列碳纖維，其抗拉模量為295GPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)7.05GPa，而高強(qiáng)高模MSJ型抗拉模量達(dá)640GPa，抗拉強(qiáng)度為3.62GPa。

在新工藝和新技術(shù)方面，日本三大公司和韓國(guó)cheil合成工業(yè)公司繼承發(fā)明了PAN原絲至碳化等系統(tǒng)的新技術(shù)，其中三菱人造絲公司提出相當(dāng)于T700性能水平碳纖維的PAN原絲指標(biāo)。美國(guó)wilkinson公司也在研制PAN原絲，而英國(guó)國(guó)防安全部在研制中空碳纖維原絲及碳纖維。在預(yù)氧化、碳化方面，東麗最近發(fā)表了30K～100K PAN基大絲束的燒成方法，可以使長(zhǎng)度較短的大絲束進(jìn)行連續(xù)碳化。三菱人造絲發(fā)明的新型碳化爐，可抑制碳化反應(yīng)生產(chǎn)的分解物附著和堆積于爐壁和纖維上，從而穩(wěn)定高效地生產(chǎn)高強(qiáng)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(jìn)與樹(shù)脂的粘合性、壓縮強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。

今后日本先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展方向是：在增強(qiáng)材料方面，進(jìn)一步提高碳纖維的強(qiáng)度和模量，降低成本；在樹(shù)脂基體方面，主要提高樹(shù)脂的沖擊后壓縮強(qiáng)度和耐濕熱性；在復(fù)合材料成型技術(shù)方面，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整體成型技術(shù)，固化監(jiān)控、自動(dòng)化技術(shù)及三維復(fù)合材料技術(shù)，同時(shí)提高復(fù)合材料性能和降低制造成本。

1　制備碳纖維的新技術(shù)

1.1研究發(fā)展廉價(jià)原絲

在高性能碳纖維成本中原絲所占比例約為40%～60%，國(guó)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(lèi)高分子材料以及木質(zhì)素等；二是改進(jìn)現(xiàn)有工藝聚丙烯腈原絲的技術(shù)，達(dá)到降低成本的目的，包括采用紡織用的聚丙烯腈、化學(xué)改性、輻照穩(wěn)定化處理等[1]。

1.2研究發(fā)展新的預(yù)氧化技術(shù)

預(yù)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(yù)氧化工序的時(shí)間也比較長(zhǎng)。縮短生產(chǎn)周期，降低成本有重大現(xiàn)實(shí)意義。目前在預(yù)氧化方面的新思路是采用等離子技術(shù)。

1.3研究發(fā)展新的碳化和石墨化技術(shù)

碳化和石墨化是制備高性能碳纖維的關(guān)鍵工序，在成本中所占比例約為25%～30%，對(duì)產(chǎn)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(shù)。

2　最新碳纖維技術(shù)動(dòng)向

PAN基碳纖維技術(shù)開(kāi)發(fā)新方向包括：碳纖維性能的提高；基體樹(shù)脂技術(shù)；成型技術(shù)三個(gè)方面。

2.1碳纖維性能的提高

為了適應(yīng)用途方面的性能提高，謀求強(qiáng)度、彈性模量及成本的平衡：PAN基碳纖維的抗壓縮強(qiáng)度提高——通過(guò)把硼離子在高電壓下進(jìn)行加速照射，使結(jié)晶結(jié)構(gòu)微細(xì)化，抗壓縮強(qiáng)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(dá)到690GPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)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(shù)脂的粘接平衡，對(duì)碳纖維界面進(jìn)行表面處理；碳纖維價(jià)格降低。

2.2基體樹(shù)脂技術(shù)

低溫固化的耐熱性樹(shù)脂；熱熔融樹(shù)脂；不燃樹(shù)脂；碳納米纖維配合碳纖維樹(shù)脂預(yù)浸料，提高層間抗剝離強(qiáng)度和耐壓縮強(qiáng)度。

2.3成型技術(shù)

努力開(kāi)發(fā)成型的高速化、低價(jià)格化、適應(yīng)批量生產(chǎn)的成型技術(shù)及中間體材料。這些技術(shù)包括：

高速成型技術(shù)：樹(shù)脂灌注成型、樹(shù)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(shù)并進(jìn)行積累。

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

全自動(dòng)纖維分布：復(fù)合材料的成型材料(窄幅預(yù)浸料)被開(kāi)發(fā)出自動(dòng)鋪層的先進(jìn)裝置。

非加熱成型技術(shù)：由于電子射線和光固化為非加熱成型技術(shù)，是低成本、高性能的大型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制造方法。

RTM成型技術(shù)的進(jìn)化：把批量生產(chǎn)、低壓、低溫、強(qiáng)化纖維體積分?jǐn)?shù)、方向、位置設(shè)定自由等特征為研發(fā)的意向。

另外，因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)材料、夾層芯材和嵌件一體成型的可行性，使船身等大型構(gòu)件的成型成為可能。

ACM熱成型體系：由連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂基體的ACM片材的成型法。

3　發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)今世界碳纖維有如下發(fā)展趨勢(shì)：產(chǎn)品性能趨向于高性能化；低成本化，價(jià)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(lǐng)域用量穩(wěn)定增加，民用工業(yè)用量增幅較大，已超過(guò)前兩者。特別是隨著大絲束碳纖維的大規(guī)模生產(chǎn)，其價(jià)格將不斷降低，民用工業(yè)用量將繼續(xù)保持大幅度增加的趨勢(shì)。目前，碳纖維的市場(chǎng)需求在北美、歐洲、亞洲基本上呈鼎足之勢(shì)。按應(yīng)用領(lǐng)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(yè)等領(lǐng)域，其總體消費(fèi)比例分別為25.2%、31.4%、43.4%，不同地區(qū)各有側(cè)重。文體用品方面，目前碳纖維材料已從釣魚(yú)竿和高爾夫球棒推廣到網(wǎng)球拍、羽毛球拍、高爾夫球桿、冰雪運(yùn)動(dòng)器材、水上運(yùn)動(dòng)器材等方面，需求量穩(wěn)步、較快增長(zhǎng)。其中高爾夫球桿、網(wǎng)球拍和釣魚(yú)竿是體育用品用碳纖維復(fù)合材料的三大支柱產(chǎn)品，約占該類(lèi)產(chǎn)品的80%[2]。一般產(chǎn)業(yè)對(duì)碳纖維材料的應(yīng)用發(fā)展比較迅速，包括基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)、更新和加固；新能源開(kāi)發(fā)如沿海油氣田、深海油田的鉆井平臺(tái)、管道和纜繩等，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的螺旋槳和風(fēng)葉；汽車(chē)的剎車(chē)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、車(chē)身以及環(huán)保汽車(chē)用的壓縮天然

氣氣瓶；電子領(lǐng)域的應(yīng)用主要有通信、廣播、地球觀測(cè)、空間探測(cè)以及各種飛行器的高精度天線。一般產(chǎn)業(yè)的需求增長(zhǎng)較快，將成為碳纖維新的主要應(yīng)用領(lǐng)域[3-4]。

參考文獻(xiàn)

[1] 張文光，等.產(chǎn)業(yè)用紡織品與復(fù)合材料[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008(06)：42-44.

[2] 杜希巖，等.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料，2007(01)：34-36.

[3] 陳偉.碳纖維復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2011(08)：10-12.

[4] 陶浩，等.碳纖維自行車(chē)車(chē)架的研制與開(kāi)發(fā)[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2007(04)：26-28.

中圖分類(lèi)號(hào)：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