“新材料之王”碳纤维知多少

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发布时间：2023-03-01

　　碳纤维是由聚丙烯腈或沥青、粘胶等有机母体纤维，在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构，含碳量在90%以上的无机高分子纤维。不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

　　一、碳纤维简介：“新材料之王”

　　碳纤维呈黑色，其质轻、强度高，同时具有易于成型、耐腐蚀、耐高温等多种优良性质，已经被广泛应用于航空航天、风电叶片、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等诸多领域。

　　图片▲碳纤维样品图

　　1、碳纤维性能特点

　　2、碳纤维主要分类

　　碳纤维可以按照原丝种类、力学性能、丝束规格、原丝制备工艺等不同维度进行分类，不同类别的碳纤维分类标准如下：

　　1）原丝种类

　　碳纤维根据原丝种类主要分为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中，PAN基碳纤维由于生产工艺相对简单，产品力学性能优异，用途广泛，自20世纪60年代问世以来，迅速占据主流地位，占碳纤维总量的90%以上；沥青基、粘胶基的产量规模较小。因此，目前碳纤维一般指PAN基碳纤维。

　　2）力学性能

　　碳纤维因其优异的力学性能作为增强材料而广泛应用，因此业内主要采用力学性能进行分类。业内产品分类主要参考日本东丽的牌号，并以此为基础确定自身产品的牌号及级别。

　　图片▲碳纤维力学性能分类

　　3）丝束规格

　　按照每束碳纤维中单丝根数，碳纤维可以分为小丝束和大丝束两大类别。一般按照碳纤维中单丝根数与1,000的比值命名，例如，12K指单束碳纤维中含有12,000根单丝的碳纤维。

　　图片▲碳纤维大小丝束分类

　　4）原丝制备工艺

　　按照纺丝溶剂的选择，聚合工艺的连续性，纺丝采用的工艺方法等，原丝制备可以分为不同的工艺类型：按照纺丝溶剂区分，包括DMSO（二甲基亚砜）、DMAc（N,N-二甲基乙酰胺）、NaSCN（硫氰酸钠）等不同的溶剂类别。

　　按照聚合工艺的连续性，可以分为一步法、两步法；按照纺丝工艺，可以分为湿法和干喷湿纺法。其中，纺丝工艺的选择及控制为稳定生产高性能原丝的关键因素。

　　3、碳纤维发展历史

　　整个碳纤维市场发展大致经历了起步、成长、扩张和全面扩张四个阶段。

　　起步阶段（1971-1983）

　　碳纤维主要应用于钓鱼竿、飞机次承力结构领域；

　　成长阶段（1984-1993）

　　碳纤维应用领域扩大至网球拍、高尔夫球杆、飞机主承力结构的应用上，在这段时期内，碳纤维产品增加、成型技术逐渐进步；

　　扩张时期（1994-2003）

　　碳纤维工业应用开始起步，碳纤维产品开始进入压力容器、工业机器、船艇、土木工程和建筑、修复和补强等领域，在这段时期内碳纤维生产成本也开始降低；

　　全面扩张时期（2004-至今）

　　飞机应用不断扩大，并逐渐发展到压力容器和汽车等工业领域的应用，同时碳纤维产品制造方法逐渐多样化，产品生产更注重可循环性。

　　4、碳纤维生产制备工艺流程

　　碳纤维生产工艺流程长且复杂，总体分为四步，原丝制备（包括聚合与纺丝）、预氧化、碳化/石墨化及表面处理/上浆。

　　碳纤维的生产过程是将丙烯腈单体聚合制成纺丝原液，然后将原液纺丝成型制成原丝，制成的原丝为碳纤维的前驱体；原丝经过氧化炉，在空气气氛下反应得到预氧丝，预氧丝在氮气保护下，分别经过低温碳化、高温碳化得到碳丝；为了更好地制成碳纤维复合材料，此时还需经过表面处理、上浆，最后烘干得到碳纤维。

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