碳纤维及碳纤维复合材料生产技术四大现状

　　碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它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。

　　碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。

　　碳纤维按原料来源可以分为PAN基碳纤维、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维和气相生长碳纤维，其间PAN基碳纤维市场占有率超越90%，其出产流程包含纤维纺丝，预氧化、碳化，复合成型和收回使用等流程。

　　原丝出产技能现状

　　原丝的高纯化、高强化、致密化以及表面光洁是制备高功能碳纤维的首要条件。在PAN基碳纤维出产中，原丝约占总本钱的50%～60%，原丝质量既影响碳纤维的质量，又制约其出产本钱。

　　原丝出产包含聚合和纺丝。原丝聚合是丙烯腈和第二单体、第三单体在引发剂效果下进行共聚反应，生成PAN纺丝液。日本东丽选用AIBN(偶氮二异丁腈)作引发剂，二甲基亚砜(DMSO)作溶剂，DMSO+AIBN系统凭仗其操作安全和高质量商品，成为碳纤维丙烯腈聚合的干流办法。

　　PAN基碳纤维原丝经过湿法和干喷湿纺纺丝技能制作。湿法纺丝是碳纤维出产遍及选用的办法，其技能老练，易工程化，所得原丝纤度均匀且纤维表面沟槽构造易于后道复合加工;干喷湿纺是将干法和湿法联系的新办法，可完成高品质原丝的细纤化和均质化，纺丝速度是湿法纺丝的5～10倍，是高功能原丝出产最佳办法之一。

　　碳纤维的出产技能现状

　　原丝经预氧化、碳化和后处理等技能制得碳纤维。预氧化是纤维组织构造改变的过渡期间，在确保丝条均质化的前提下，缩短预氧化时刻，能够降低出产本钱。碳化是纤维乱层石墨构造的成形期间，可使纤维强度大幅提升，碳化条件操控不妥会形成纤维构造中有空地、裂纹等缺陷，影响碳纤维功能。石墨化即高温下牵伸，使纤维由乱层石墨构造向三维石墨构造转化，进步增强了碳纤维弹性模量。

　　碳化炉是制作碳纤维的关键设备，国产碳化炉发热体最高耐热温度1400 ℃，而国外大规划高温碳化炉对中国实施出口约束，中等规划碳化炉报价又很高，进一步提高了国内碳纤维的建造本钱，导致国产碳纤维市场竞争力缺乏，研制高强级碳纤维出产线的国产设备迫在眉睫。

　　碳纤维增强复合材料技能现状

　　碳纤维增强复合材料是以碳纤维及织物为增强体、树脂为基体制成，其代表是以三维织造物为增强体，选用树脂传递模塑技能(RTM)进行浸胶固化而成的三维织造复合材料。

　　三维织造技能具有较强的仿形织造才能，能够完成杂乱构造的全体织造，常用织造技能有四步法、二步法及多层联锁织造技能。四步法操作灵活性强，织造物全体构造好，但织造速度较慢，对设备要求较高;二步法织造简略，易完成自动化，适合织造较厚制件，但其执行机构以间断的离散办法运动;多层联锁织造技能织造的织物机械功能好，设备可平稳连续作业，但不易完成自动化出产。现在可满意大而厚预制件织造需要的大型三维织造机不多，规划与研制高水平的三维织造机仍是尽力的方向。

　　三维织造完成了增强材料的全体成型，而RTM技能恰是适于全体成型的技能办法。RTM技能是将液态树脂写入闭合模具中滋润增强材料并固化成型的技能办法，是接近终究形状部件的出产办法，根本无需后续加工。因为其效率高、能耗低、技能适应性强等长处，适合多品种、高质量的领先复合材料加工。RTM-三维织造复合材料是彻底全体构造，与传统复合材料比较，具有较高的损害容限、强度和模量，为复合材料使用于承力构造件，特别是使用于航天航空等范畴提供了宽广远景。

　　碳纤维增强复合材料收回使用现状

　　收回使用碳纤维可降低能耗、节约能源，首要办法有高温热解法、流化床分化法和超/亚临界流体法。

　　高温热解法是在高温下使复合材料降解，收回的碳纤维力学功能降低起伏较大，影响碳纤维再使用，是现在仅有商业化运营的收回办法;

　　流化床热分化法选用高温空气暖流对复合材料进行高温热分化，通常用旋风分离器来取得表面洁净的碳纤维，因为受高温、砂粒磨损的影响，碳纤维长度变短、力学功能降低，影响收回碳纤维的使用规模;

　　超/亚临界法是使用液体在临界点邻近具有高活性和高溶解性等功能来分化复合材料，最大极限地保存碳纤维的初始功能，因为其共同的优越性，遭到产业界高度重视，将可能成为碳纤维首要收回办法之一，现在多数收回技能仍停留在实验期间，商业化路途绵长。