PAN基碳纤维技术动向及发展趋势

李　扬

(陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000)



PAN基碳纤维技术动向及发展趋势

李扬

(陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000)

摘要：随着科技发展，我国碳纤维用品消费量位居首位，约占总消费量的80%～90%。国外碳纤维主要开发超高强度、超高模量的碳纤维。本文介绍了碳纤维复合材料在文体休闲领域的应用，PAN基碳纤维技术开发新方向包括：碳纤维性能的提高；基体树脂技术；成型技术三个方面。

关键词：碳纤维，技术动向，发展趋势

当前，PAN基碳纤维向两个方面发展：一是提高，二是普及。提高是指小丝束碳纤维(1K～24K)的质量提高，普及是指大丝束碳纤维(48K～540K)的产量大幅度增加，价格日趋下降。

随着航空航天飞行器各项性能的不断提高，对结构件用材料的性能要求也越来越高。国外碳纤维主要生产商都在积极地开发超高强度、超高模量的碳纤维。日本东丽公司已开发出高强型T1000系列碳纤维，其抗拉模量为295GPa，拉伸强度达7.05GPa，而高强高模MSJ型抗拉模量达640GPa，抗拉强度为3.62GPa。

在新工艺和新技术方面，日本三大公司和韩国cheil合成工业公司继承发明了PAN原丝至碳化等系统的新技术，其中三菱人造丝公司提出相当于T700性能水平碳纤维的PAN原丝指标。美国wilkinson公司也在研制PAN原丝，而英国国防安全部在研制中空碳纤维原丝及碳纤维。在预氧化、碳化方面，东丽最近发表了30K～100K PAN基大丝束的烧成方法，可以使长度较短的大丝束进行连续碳化。三菱人造丝发明的新型碳化炉，可抑制碳化反应生产的分解物附着和堆积于炉壁和纤维上，从而稳定高效地生产高强度高模量的碳纤维。东丽公司则研制一种三叶形断面的PAN原丝及碳纤维，可改进与树脂的粘合性、压缩强度和抗弯强度。

今后日本先进复合材料的发展方向是：在增强材料方面，进一步提高碳纤维的强度和模量，降低成本；在树脂基体方面，主要提高树脂的冲击后压缩强度和耐湿热性；在复合材料成型技术方面，进一步实现整体成型技术，固化监控、自动化技术及三维复合材料技术，同时提高复合材料性能和降低制造成本。

1　制备碳纤维的新技术

1.1研究发展廉价原丝

在高性能碳纤维成本中原丝所占比例约为40%～60%，国外从两方面降低原丝的成本，一是试探采用聚丙烯腈外的其它材料作为制备高性能碳纤维的原丝，包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯等其它聚烯类高分子材料以及木质素等；二是改进现有工艺聚丙烯腈原丝的技术，达到降低成本的目的，包括采用纺织用的聚丙烯腈、化学改性、辐照稳定化处理等[1]。

1.2研究发展新的预氧化技术

预氧化工序在高性能碳纤维成本中所占的比例约为15%～20%，而且预氧化工序的时间也比较长。缩短生产周期，降低成本有重大现实意义。目前在预氧化方面的新思路是采用等离子技术。

1.3研究发展新的碳化和石墨化技术

碳化和石墨化是制备高性能碳纤维的关键工序，在成本中所占比例约为25%～30%，对产品的最终性能影响极大。在碳化和石墨化方面的新思路是采用微波技术。

2　最新碳纤维技术动向

PAN基碳纤维技术开发新方向包括：碳纤维性能的提高；基体树脂技术；成型技术三个方面。

2.1碳纤维性能的提高

为了适应用途方面的性能提高，谋求强度、弹性模量及成本的平衡：PAN基碳纤维的抗压缩强度提高——通过把硼离子在高电压下进行加速照射，使结晶结构微细化，抗压缩强度可提高1.3～2.0倍；高弹性模量化——PAN基碳纤维弹性模量达到690GPa，抗拉强度达到3.4GPa；碳纤维的界面控制——为了提高耐冲击性，使碳纤维和基体树脂的粘接平衡，对碳纤维界面进行表面处理；碳纤维价格降低。

2.2基体树脂技术

低温固化的耐热性树脂；热熔融树脂；不燃树脂；碳纳米纤维配合碳纤维树脂预浸料，提高层间抗剥离强度和耐压缩强度。

2.3成型技术

努力开发成型的高速化、低价格化、适应批量生产的成型技术及中间体材料。这些技术包括：

高速成型技术：树脂灌注成型、树脂膜灌注成型(RFI)、RTM成型、挤拉成型、高速缠绕(FW)成型、SMC/BMC成型等技术并进行积累。

带有数字控制(NC)的自动铺层法：在航空飞机部件的高压釜成型中，为了优先使曲面形预浸料铺层合理化和高速化，引入了带NC的自动铺层机。

全自动纤维分布：复合材料的成型材料(窄幅预浸料)被开发出自动铺层的先进装置。

非加热成型技术：由于电子射线和光固化为非加热成型技术，是低成本、高性能的大型结构复合材料的制造方法。

RTM成型技术的进化：把批量生产、低压、低温、强化纤维体积分数、方向、位置设定自由等特征为研发的意向。

另外，因为补强材料、夹层芯材和嵌件一体成型的可行性，使船身等大型构件的成型成为可能。

ACM热成型体系：由连续纤维增强热塑性树脂基体的ACM片材的成型法。

3　发展趋势

当今世界碳纤维有如下发展趋势：产品性能趋向于高性能化；低成本化，价格将从2006年约40美元/公斤大幅度降低；航天航空和文体用品领域用量稳定增加，民用工业用量增幅较大，已超过前两者。特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，其价格将不断降低，民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋势。目前，碳纤维的市场需求在北美、欧洲、亚洲基本上呈鼎足之势。按应用领域划分，世界聚丙烯腈基碳纤维主要用于宇航、文体休闲用品、其它工业等领域，其总体消费比例分别为25.2%、31.4%、43.4%，不同地区各有侧重。文体用品方面，目前碳纤维材料已从钓鱼竿和高尔夫球棒推广到网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、冰雪运动器材、水上运动器材等方面，需求量稳步、较快增长。其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品，约占该类产品的80%[2]。一般产业对碳纤维材料的应用发展比较迅速，包括基础设施的修复、更新和加固；新能源开发如沿海油气田、深海油田的钻井平台、管道和缆绳等，以及风力发电机的螺旋桨和风叶；汽车的刹车系统、转动轴、车身以及环保汽车用的压缩天然

气气瓶；电子领域的应用主要有通信、广播、地球观测、空间探测以及各种飞行器的高精度天线。一般产业的需求增长较快，将成为碳纤维新的主要应用领域[3-4]。

参考文献

[1] 张文光，等.产业用纺织品与复合材料[J].产业用纺织品，2008(06)：42-44.

[2] 杜希岩，等.纤维增强复合材料在体育器材上的应用[J].纤维复合材料，2007(01)：34-36.

[3] 陈伟.碳纤维复合材料在体育器材上的应用[J].产业用纺织品，2011(08)：10-12.

[4] 陶浩，等.碳纤维自行车车架的研制与开发[J].玻璃钢/复合材料，2007(04)：26-28.

中图分类号：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