碳纖維研究及發(fā)展現(xiàn)狀

唐 佳，陳玉祥

（西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

碳纖維研究及發(fā)展現(xiàn)狀

唐 佳，陳玉祥

（西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

碳纖維因其優(yōu)良的性能被廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)中。簡(jiǎn)述了碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀，碳纖維種類(lèi)、生產(chǎn)方式以及碳纖維表面處理工藝。PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維是生產(chǎn)最多和使用最多的碳纖維，在碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)進(jìn)行上漿處理，以減少機(jī)械摩擦引起的毛絲和單絲斷裂現(xiàn)象，使碳纖維使用性能更好。

碳纖維；PAN基碳纖維；瀝青基碳纖維；上漿處理

碳纖維是將聚丙烯晴、瀝青等有機(jī)纖維在1 000～3 000℃高溫的惰性環(huán)境中，分解碳化成無(wú)機(jī)高分子纖維，其含碳量在90%以上，是國(guó)際認(rèn)可的現(xiàn)代高科技領(lǐng)域典型新材料的代表。碳纖維具有超高導(dǎo)電能力、抗腐蝕、耐磨損、耐高溫、質(zhì)量輕的優(yōu)異性能，在2 000℃高溫的惰性環(huán)境下能保持強(qiáng)度不發(fā)生變化的材料[1]，被廣泛地運(yùn)用到航空航天、汽車(chē)風(fēng)電、醫(yī)用設(shè)備、建筑補(bǔ)強(qiáng)以及石油化工等各個(gè)領(lǐng)域。碳纖維的推廣進(jìn)一步推動(dòng)著全球經(jīng)濟(jì)以及工業(yè)文明的快速發(fā)展，尤其是碳纖維在軍事領(lǐng)域中的運(yùn)用，利用碳纖維制造出了性能更好的軍工裝備，增強(qiáng)國(guó)防實(shí)力。

1 碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀

碳纖維在國(guó)外的發(fā)展較為迅速，其中以日本東麗、德國(guó)SGL、三菱麗陽(yáng)、臺(tái)塑集團(tuán)以及日本帝人為主，這些集團(tuán)掌握了碳纖維研發(fā)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碳纖維制造的規(guī)模化生產(chǎn)，碳纖維總產(chǎn)量更是占全球市場(chǎng)份額60%，成為碳纖維制造生產(chǎn)和對(duì)外輸出的主要供應(yīng)商[2]。因碳纖維優(yōu)異的性能，許多國(guó)家開(kāi)始對(duì)碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的自主研發(fā)，但因未掌握制造的關(guān)鍵，加上碳纖維發(fā)展快速?lài)?guó)家對(duì)技術(shù)的嚴(yán)格保密，使這些國(guó)家在研發(fā)碳纖維的進(jìn)程上發(fā)展緩慢。

我國(guó)碳纖維的研究始于二十世紀(jì)六十年代，因受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)條件及設(shè)備的影響，碳纖維研發(fā)進(jìn)展不大。改革開(kāi)放后，國(guó)家整體的經(jīng)濟(jì)水平得到提升，加大了對(duì)碳纖維的財(cái)政支持，2010年我國(guó)碳纖維的產(chǎn)能7 071t，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，初步實(shí)現(xiàn)碳纖維的國(guó)產(chǎn)化，2008年我國(guó)將碳纖維列入化纖行業(yè)重點(diǎn)扶持項(xiàng)目，隨后完成了“十一五”規(guī)劃中碳纖維T300生產(chǎn)線，在“十三五”規(guī)劃中制定了完成碳纖維T700以上百?lài)嵣a(chǎn)線的目標(biāo)，指定了我國(guó)碳纖維發(fā)展方向及目標(biāo)[3]。

2 碳纖維分類(lèi)

根據(jù)前驅(qū)體的不同碳纖維可以分為四大類(lèi)：PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維以及酚醛基碳纖維。

根據(jù)力學(xué)性能可將碳纖維分為：超高模量碳纖維、高強(qiáng)度碳纖維、高模量碳纖維、超高強(qiáng)度碳纖維、高性能碳纖維和通用碳纖維，其中超高模量碳纖維的模量需大于450GPa，超高強(qiáng)度碳纖維的強(qiáng)度需大于4 000MPa。根據(jù)絲束可分為1K-24K的小絲束纖維和48～480K的大絲束纖維[4]。

3 碳纖維表面處理

碳纖維表面缺乏化學(xué)活性官能團(tuán)，呈惰性，浸潤(rùn)性差，界面黏結(jié)強(qiáng)度低，通過(guò)表面處理能增加表面粗糙度，引入極性基團(tuán)，增強(qiáng)表面活性。常用的表面改性方法有液相氧化法、等離子體法、聚合物涂層法、物理射線輻照法以及氣相氧化法等[5]。碳纖維在生產(chǎn)加工成復(fù)合材料的過(guò)程中，由于機(jī)械摩擦易產(chǎn)生毛絲和單絲斷裂現(xiàn)象。毛絲的存在導(dǎo)致碳纖維的浸潤(rùn)性差，制備而成的復(fù)合材料容易產(chǎn)生孔隙，導(dǎo)致力學(xué)性能降低。因此，除表面改性處理外，生產(chǎn)過(guò)程中通常要對(duì)碳纖維進(jìn)行上漿處理，在碳纖維的表面涂上一層保護(hù)膠，改善纖維表面的物理和化學(xué)性能，根據(jù)上漿劑用溶劑不同可分為乳液型上漿劑、溶劑型上漿劑和水溶性上漿劑三種類(lèi)型[6]。

4 碳纖維的作用領(lǐng)域

因碳纖維優(yōu)異的性能，被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，包括生活休閑、工業(yè)、交通和軍事等方面。如：碳纖維材料質(zhì)量輕，在生活中常被用于制造羽毛球拍、自行車(chē)、滑雪板以及游艇等。在工業(yè)上，碳纖維常被用于混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、飛機(jī)制造、風(fēng)力發(fā)電以及汽車(chē)制造。碳纖維作為一種新型的建筑加固材料，因其耐腐蝕、高模量和易加工性，被廣泛的用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)中，提高混凝土承載能力和抗彎能力，減少地震帶來(lái)的危害。

利用碳纖維材料生產(chǎn)的自行車(chē)，尺寸穩(wěn)定性高，塑性變形小，回彈性好，自行車(chē)的質(zhì)量輕，流線型設(shè)計(jì)使騎行過(guò)程阻力小，速度更快[7]。同時(shí)，因質(zhì)量輕性能好，也被用作飛機(jī)制造材料，在減輕質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)能減排，降低成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已有70%～80%的直升飛機(jī)和商務(wù)飛機(jī)使用了碳纖維復(fù)合材料。

5 結(jié)論

碳纖維性能優(yōu)異，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，需求量不斷增長(zhǎng)。我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展碳纖維行業(yè)，研發(fā)出強(qiáng)度更高、模量更大的碳纖維，以滿足各行業(yè)對(duì)碳纖維的需求，同時(shí)，升級(jí)設(shè)備，增加設(shè)備數(shù)量，建立更多碳纖維生產(chǎn)線，以緩解我國(guó)碳纖維依靠進(jìn)口的現(xiàn)狀。

[1] 李建利，張新元，張?jiān)?碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].成都紡織高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2016，33（2）：158.

[2] 黃澤翠，代君.碳纖維市場(chǎng)現(xiàn)狀和前景分析[J].精細(xì)與專(zhuān)用化學(xué)品，2016，24（6）：13.

[3] 謝豐遠(yuǎn)，馮小錄.有關(guān)碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)的分析和探究[J].民營(yíng)科技，2016，（11）：88.

[4] 孫敏.碳纖維技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用分析[J].煤炭加工與綜合利用，2014，（8）：17.

[5] 代志雙，李敏，張佐光，等.碳纖維上漿劑的研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2012，20：95.

[6] 劉化虎，吳相升，宋會(huì)青.碳纖維用上漿劑研究進(jìn)展[J].安徽化工，2016，42（2）：11.

[7] 顧良娥，周恒香.碳纖維復(fù)合材料在自行車(chē)上的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2016，（2）：264.

Research and Development of Carbon Fiber

Tang Jia，Chen Yu-xiang

Carbon fiber is widely used in all walks of life because of its excellent properties.The development of carbon fiber，the types and production methods of carbon fiber and the surface treatment process of carbon fiber are briefly described.PAN based carbon fiber and asphalt base carbon fiber production and use of carbon fiber is the most most，in the production process of carbon fiber for sizing processing，to reduce the mechanical and filament mono filament breakage due to friction，the use of carbon fiber for better performance.

carbon fiber；PAN based carbon fiber；pitch based carbon fiber；sizing treatment

TQ342.742-1

A

1003–6490（2017）10–0063–01

2017–06–25

唐佳（1993—），女，四川德陽(yáng)人，碩士在讀，主要研究方向?yàn)楦g與防護(hù)。