国产碳纤维编织工艺的探讨

李陆

（北京首钢建设集团第二冶金建设集团分公司，北京 100000）

1 国产碳纤维的特点

（1）强抗拉力特性。纤维的拉伸变形硬度大约为2～7GPa，拉伸模量大约为200～700GPa。密度约为1.5～2.0g/cm3，这除了和原丝结构相关外，主要是确定于碳化处理后的温度值。通常进行高温的3000℃石墨化处理，密度可到达2.0g/cm3。并且由于它本身整体结构比重很轻，它的总体重量比重比普通钢铁和铝合金都要轻，不足为普通铝合金和钢铁的1/4，比普通铝合金的总硬度大，也差不多为普通钢材和铁的零倍。碳纤维的温度热胀和压力膨胀时的阻力作用系数与其他金属纤维不同，它们都是具有各向异性的特点。

（2）柔软可加工性。纤维除自身具备了普通纤维材质的特点外，碳纤维材质编织布外形还具备明显的各向异性柔软，因此，可以通过加工编织成各类结构化纤面料，并因为纤维比重较小，所以顺着碳纤维织物材质强度轴线的走向显示出了极高的比抗拉硬度，而碳纤维材料增强聚砜树脂物，其比抗拉强度、比模量综合指数，在目前的全部结构纤维材质中，应该是最强的。

（3）耐低温特性。另外，该聚碳纤维还特别具有良好的导热耐低温老化性能，如在水或液氮较低温度下也不容易脆化。

（4）容易氧化。纤维一般是含碳率超过90%的无机高分子纤维。其中，含碳率超过99%的称多层石墨纤维。活性合金碳纤维的相对轴向蠕变强度和模量要求较高，无轴向蠕变和耐模型、抗疲劳老化性能较好，热容量和整体导电老化性能都良好处于活性非金属材料与其他金属材料中间，高温热缩和膨胀处理系统参数值较小，抗腐蚀老化性能好，纤维的热密度较低，对X射线穿透性好。但它在杂质中的高耐压和耐抗冲击性能相对来说不好，易受到热冲击损坏，在强酸性和强碱作用下容易直接发生氧化，与其他金属中的杂质形成物后，会产生了金属表层中的杂质对炭氧化、渗碳和其他电物质腐蚀等常见现象。所以，碳纤维金属产品在首次开始批量投入使用前，就必须先对其本身表层进行一次表面抛光处理。

以上内容是关于碳纤维材料最明显的特点，也许这是目前国内应用最广泛的一种特性，碳纤维涂层复合材料的表层抗拉力特别强，可以直接使其抗拉力延伸力达到很大的一定程度，这样的程度显然是其他的复合纤维材料所不能够完全具备的，很多纤维材料在拉伸力达到一定程度的时候就可能会出现开裂，但是，使用碳纤维材料绝对不会轻易出现这样的开裂情况，所以，给了碳纤维材料加工工艺的制作带来了很多的方便快捷，碳纤维经过复合材料不仅是它具有纤维的柔软性等诸多特性，而且它的材料重量很轻，所以，很多先进的的碳纤维材料加工制造工艺以及产品都是采用碳纤维经过复合材料加工工艺制成。

2 国产碳纤维织造的生产过程

（1）纺丝。采用聚丙烯腈以氨与水溶剂反应制得15%的水性纺丝液，水溶剂一般主要为甲基硫氰酸钠或者亚硝酸、二甲基亚砜等，经过各种湿法快速纺丝或者快速干燥的喷湿式纺丝等湿法纺丝等该工艺既成即可湿法制得的布盘原丝。湿法加工制得的热纺布将盘原丝于一条纬线上的纺织机中反复揉捻后纺织成布，在将其原料送入预氧化处理器后可再进行氧化和热处理。

（2）预氧化产物整体消毒处理装置整体处理。预氧化产物整体消毒处理过程主要可以分两段持续进行，聚丙烯腈聚酯纤维在催化剂的光合作用下对其存在于200～220℃及对其利用高热张力氧化状态下，用高温空气对其进行张力氧化及热处理10～30min，并在220～330℃及利用张力氧化状态下对其继续进行氧化及热处理30～100min，使该处理纤维的外层颜色逐渐由红转白变黄，最后逐渐加深变成了淡铜色。由纤维处理产生的各种特殊有毒性废气由一次消毒炭化处理运送装置直接通气排出，处理后的橡胶纤维在运送一次炭化消毒处理器后再进行二次炭化消毒处理。

（3）炭化加热处理。炭化加热过程在含氮真流(或含氮真空)保护下进行，经过一次低温加热炭酸碳化(300～1000℃)和二次高温加热炭化(1000～1800℃)转化成一层具有一定网状结构的弹性碳纤维。炭化过程中，石墨生成的硫氧化物分解废气和炭化过程中分解的废气，分别通过碳化数据处理器装置排放、石墨碳化过程处理的石墨纤维素，被送到石墨化处理器后进行石墨处理。

（4）石墨化热处理。石墨化热处理时，可以用加热碳管进行加热生产。也或者可以采用电流直接通过石墨纤维。石墨化的过程，一般是在惰性气体中(氩气)环境的保护下持续进行的，在2000～3000℃的热处理温度下石墨化。

通过多层石墨化处理所得碳纤维材料，经无损伤试验后送聚砜树脂处理浴用稀聚砜树脂处理溶液浸润，使实际应用的碳纤维材料无缝连接，能够更好地让用户使用及操作。经过干燥处理的这种无色有纬布直接受热进入含有一定溶剂的蒸馏水中或干燥器中后，需要使其中所有溶剂充分受热蒸发，然后再经常用无纬布的热损伤检验工艺进行检验后，立即可以得到干燥成品中的碳纤维。

（5）表面处理及上浆。除作为前驱体的碳纤维外，表面涂层处理最大功能的是使一个生产供应商的基体产品与一个竞争对手的基体产品价格区分开。增强基体纤维树脂和活性碳纤维之间的增强黏合性对于生产增强纤维复合材料至关重要，而在大量制造活性碳纤维的生产过程中，表面涂层处理主要目的也就是为了增强这种物的黏合性。由于生产供应商会不断采用不同的涂层处理工艺方法，处理后的碳纤维表面活性也会增加，从而大大提高目前可以应用于界面的碳纤维及其他基体树脂黏结的纤维表面积，并需要添加一些反应性强的物和基质，如羧基等。

3 国产碳纤维织布的应用问题及讨论

3.1 我国碳纤维目前生产应用状况及主要问题

目前，碳纤维在我国主要应用领域如下：（1）用于民用航空、航天及其他相关国防工业相关技术领域、飞机主要机体和钢结构、新型金属材料、卫星、运载火箭、导弹、雷达等。（2）在体育休闲品领域，有高尔夫球队、渔具、网球拍、箭杆、自行车、赛艇等。（3）加强工程建设。碳纤维基础建筑加固用建筑塑料制品、加压容器材料、建筑材料加固及深海气象油田钻井压力平台等。（4）汽车机械制造、风力风扇叶片、摩擦机械材料、汽车机械零部件。（5）医用领域、人工韧带、心脏瓣膜、生物修复用膜、炭吸附材料、碳纤维甲壳素人工膜、人工器官等。

3.2 存在问题

（1）目前，我国大部分企业生产能力低下且产品质量具有不稳定性，生产技术及设备使用不过关。（2）核心生产技术突破难度大。碳纤维材料技术虽然属于高难度创新性的技术，在研究过程中关键技术上要想成功取得重大突破难度很大。（3）品种单一。我国工业通用材料碳纤维在工业应用发展中，不管军用还是民用，它只是工业通用的一种材料。（4）价格高，应用范围有限。碳纤维的材料生产产品价格水平高低无疑是目前禁止限制它广泛得到推广应用的一个主要制约生产成本重要因素，降低禁止使用生产碳纤维材料生产产品价格的一个重要关键问题，这无疑是目前我国必须努力解决突破的一个关键问题。

4 结语

当前，随着社会经济发展的加快，对活性碳纤维材料的使用及需求逐渐增大，碳纤维及其金属材料的研发生产应用是直接影响国家防建设的高科技关键技术。根据国家“十二五计划”，高性能碳纤维及应用材料在“十二五”时期，中国高碳聚丙烯丙烯酸产品在碳纤维领域已进入产量世界前三强，并与世界高性能碳纤维及应用材料等领域一起进入构成数万亿韩元的世界战略性新产品产业链，完成了高新技术领域向中高端商品与服务市场的有效过渡，碳纤维在未来我国的发展前景甚是可观。