碳纖維發(fā)展概況
時(shí)間:2005-06-25
高性能纖維是指耐熱好、質(zhì)量輕、強(qiáng)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?zhèn)浼徔椑w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(yī)療、機(jī)械、紡織等各領(lǐng)域。
粘膠基碳纖維于1959年開始生產(chǎn)，五六十年代是粘膠基碳纖維的鼎盛時(shí)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(fā)明了用聚丙烯腈（PAN）原絲制造碳纖維的新方法。在此基礎(chǔ)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(shù)流程，使其發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨溃琍AN基碳纖維成為當(dāng)前碳纖維工業(yè)的主流，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的90％左右。1974年，美國聯(lián)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(chǎn)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(jì)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(xué)研究所建成我國第一條PAN基碳纖維擴(kuò)大試驗(yàn)生產(chǎn)線，產(chǎn)品性能基本達(dá)到日本東麗公司的T200，國內(nèi)也叫做高強(qiáng)I型碳纖維。我國從“六五”開始研制高強(qiáng)II型碳纖維（相當(dāng)于T300），但歷經(jīng)20年，產(chǎn)品性能指標(biāo)仍未達(dá)到T300標(biāo)準(zhǔn)，至今仍處于中試放大階段。專家認(rèn)為，制約我國碳纖維發(fā)展的“瓶頸”是PAN原絲質(zhì)量沒有真正過關(guān)。
對碳纖維發(fā)展的建議
碳纖維是一門多學(xué)科交叉、多技術(shù)集成的系統(tǒng)工程，質(zhì)量的提升涉及到方方面面。可從以下幾個(gè)方面優(yōu)先考慮：研制高純度原絲，把先天性缺陷降低到最小程度經(jīng)大量檢測表明，國產(chǎn)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(wěn)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(yīng)潔凈化，所用設(shè)備應(yīng)耐腐蝕。
原絲高強(qiáng)化經(jīng)測試和有關(guān)資料表明，我國PAN原絲強(qiáng)度（力）比較低，國外在6.0g／d以上。在一定范圍內(nèi)，碳纖維的拉伸強(qiáng)度隨著原絲強(qiáng)力的提高而提高，而提高原絲強(qiáng)力的技術(shù)措施之一是相應(yīng)提高PAN樹脂的分子量。
細(xì)旦化高強(qiáng)度碳纖維的發(fā)展趨勢之一是單絲直徑較細(xì)。直徑越細(xì)，包含大缺陷的幾率越少，尺寸效應(yīng)十分顯著。納米碳纖維可望在性能上有大的突破。
均質(zhì)化主要是纖維橫截面由表及里結(jié)構(gòu)均勻，性能一致。這就要求PAN原絲、預(yù)氧化纖維和碳纖維無明顯的皮芯結(jié)構(gòu)。纖維的皮芯結(jié)構(gòu)易在凝固成纖過程或預(yù)氧化熱處理過程產(chǎn)生，最佳工藝條件的選擇則十分重要。
細(xì)晶化對于脆性材料，缺陷大小與微晶尺寸視為同一數(shù)量級。細(xì)晶化有利于對缺陷的控制和碳纖維抗拉強(qiáng)度的提高，特別是壓縮強(qiáng)度的提高。細(xì)晶化應(yīng)從聚合開始，貫穿于生產(chǎn)碳纖維的全過程。
