材料工程評(píng)審論文碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r應(yīng)用

　　現(xiàn)在工程技術(shù)訥河發(fā)展中碳纖維的應(yīng)用管理技術(shù)主要體現(xiàn)在哪些方面，同時(shí)要如何來(lái)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)在材料的應(yīng)用措施，這些是文章對(duì)這些方面的介紹。本文選自：《材料導(dǎo)報(bào)》,《材料導(dǎo)報(bào)》已于2009年全面改版，由月刊改為半月刊，分為《材料導(dǎo)報(bào)》(綜述篇)和《材料導(dǎo)報(bào)》(研究篇)。 　《材料導(dǎo)報(bào)》(綜述篇)每月10日出版，主要欄目有：材料科技發(fā)展評(píng)述、材料科技政策、新材料新技術(shù)介紹、信息發(fā)布、專題評(píng)論、人物專訪及專稿、材料產(chǎn)業(yè)論壇、會(huì)議報(bào)道、國(guó)際動(dòng)態(tài)及快訊等。

　　摘要：近些年來(lái)，隨著我國(guó)整體實(shí)力的不斷提升，對(duì)碳纖維的需求量也與日俱增，而我國(guó)碳纖維現(xiàn)階段大部分依賴進(jìn)口，2004年全國(guó)碳纖維用量為4000噸，國(guó)內(nèi)實(shí)際產(chǎn)量?jī)H為1O多噸，而且無(wú)論是質(zhì)量還是規(guī)模與國(guó)外相比差距都很大。另?yè)?jù)估測(cè)2009年我國(guó)碳纖維需求將達(dá)到7500噸，這表明我國(guó)碳纖維嚴(yán)重供不應(yīng)求。盡管目前國(guó)際社會(huì)碳纖維的制造技術(shù)與產(chǎn)品對(duì)華出口有所松動(dòng)，通用級(jí)碳纖維進(jìn)口渠道已經(jīng)開(kāi)通，但高性能碳纖維對(duì)我國(guó)依然限制。

　　關(guān)鍵詞：碳纖維,材料應(yīng)用,材料論文

　　一、碳纖維的性能

　　1.1分類

　　根據(jù)原絲類型分類可分為聚丙烯腈(PAN)基、瀝青基和粘膠基3種碳纖維，將原絲纖維加熱至高溫后除雜獲得。目前，PAN碳纖維市場(chǎng)用量最大;按力學(xué)性能可分為高模量、超高模量、高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度4種碳纖維;按用途可分為宇航級(jí)小絲束碳纖維和工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維，其中小絲束初期以1K、3K、6K(1K為1000根長(zhǎng)絲)為主，逐漸發(fā)展為12K和24K，大絲束為48K以上，包括60K、120K、360K和480K等。

　　1.2性能

　　碳纖維的主要性能：(1)密度小、質(zhì)量輕，密度為1.5～2克/立方厘米，相當(dāng)于鋼密度的l/4、鋁合金密度的1/2;(2)強(qiáng)度、彈性模量高，其強(qiáng)度比鋼大4-5倍，彈性回復(fù)l00%;(3)具有各向異性，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降，耐驟冷、急熱，即使從幾千度的高溫突然降到常溫也不會(huì)炸裂;(4)導(dǎo)電性好，25。C時(shí)高模量纖維為775μΩ/cm，高強(qiáng)度纖維為1500μΩ/cm;(5)耐高溫和低溫性好，在3000。C非氧化氣氛下不融化、不軟化，在液氮溫度下依舊很柔軟，也不脆化;(6)耐酸性好，對(duì)酸呈惰性，能耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等侵蝕。此外，還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和使中子減速等特性。

　　通常，碳纖維不單獨(dú)使用，而與塑料、橡膠、金屬、水泥、陶瓷等制成高性能的復(fù)合材料，該復(fù)合材料也具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐疲勞、抗腐蝕、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等優(yōu)良性質(zhì)，已在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　1.3應(yīng)用領(lǐng)域

　　由于碳纖維具有高強(qiáng)、高模、耐高溫、耐疲勞、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性，因此被廣泛應(yīng)用于土木建筑、航空航天、汽車、體育休閑用品、能源以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。此外，碳纖維在電子通信、石油開(kāi)采、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，主要用于放電屏蔽材料、防靜電材料、分離鈾的離心機(jī)材料、電池的電極，在生化防護(hù)、除臭氧、食品等領(lǐng)域種也有出色的表現(xiàn)。

　　二、生產(chǎn)工藝

　　通常用有機(jī)物的炭化來(lái)制取碳纖維，即聚合預(yù)氧化、炭化原料單體—原絲—預(yù)氧化絲—碳纖維。碳纖維的品質(zhì)取決于原絲，其生產(chǎn)工藝決定了碳纖維的優(yōu)劣。以聚丙烯腈(PAN)纖維為原料，干噴濕紡和射頻法新工藝正逐步取代傳統(tǒng)的碳纖維制備方法(干法和濕法紡絲)。

　　2.1干噴濕紡法

　　干噴濕紡法即干濕法，是指紡絲液經(jīng)噴絲孔噴出后，先經(jīng)過(guò)空氣層(亦叫干段)，再進(jìn)入凝固浴進(jìn)行雙擴(kuò)散、相分離和形成絲條的方法。經(jīng)過(guò)空氣層發(fā)生的物理變化有利于形成細(xì)特化、致密化和均質(zhì)化的絲條，紡出的纖維體密度較高，表面平滑無(wú)溝槽，且可實(shí)現(xiàn)高速紡絲，用于生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的碳纖維原絲。

　　干噴濕紡裝置常為立式噴絲機(jī)，從噴絲板噴出的紡絲液細(xì)流經(jīng)空氣段(干段)后進(jìn)入凝固浴，完成干噴濕紡過(guò)程;再經(jīng)導(dǎo)向輥、離浴輥引出的絲條經(jīng)后處理得到PAN纖維。

　　離開(kāi)噴絲板后的紡絲液細(xì)流先經(jīng)過(guò)空氣層(干段)再進(jìn)入凝固浴，干段很短，但對(duì)凝固相分離和成纖結(jié)構(gòu)有著重大影響，在空氣層，擠出的紡絲液細(xì)流中的溶劑急速蒸發(fā)，表面形成了薄薄致密層，細(xì)流進(jìn)入凝固浴后可抑制雙擴(kuò)散速度;由于在噴絲板出口處產(chǎn)生膨脹效應(yīng)，靠細(xì)流自身的重力以及牽伸力向下流動(dòng)，然后經(jīng)干噴濕紡的正牽伸可使脹大部分被牽伸變細(xì)后進(jìn)入凝固浴;凝固浴采用低溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比和低溫凝固，低溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比可加大溶劑與細(xì)流之間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差，加速擴(kuò)散;低溫可抑制擴(kuò)散速度，利于沉淀結(jié)構(gòu)致密化、均質(zhì)化，最終紡出的原絲和所制碳纖維表面較平滑而無(wú)溝槽。

　　與純濕紡相比，干噴濕紡可紡出較高密度且無(wú)明顯皮芯結(jié)構(gòu)的原絲，大幅提高了纖維的抗拉強(qiáng)度，可生產(chǎn)細(xì)特化和均質(zhì)化的高性能碳纖維。

　　2.2 射頻法

　　PAN原絲經(jīng)過(guò)預(yù)氧化(200～350。C，射頻負(fù)壓軟等離子法)、碳化(800～1200。C，微波加熱法)到石墨化(2 400～2 600。C，射頻加熱法)，主要受到牽伸狀態(tài)下的溫度控制。在這一形成過(guò)程中達(dá)到纖維定型、碳元素富集，分子結(jié)構(gòu)從聚丙烯腈高分子結(jié)構(gòu)—亂層的石墨結(jié)構(gòu)—三維有序的石墨結(jié)構(gòu)。

　　國(guó)內(nèi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“射頻法碳纖維石墨化生產(chǎn)工藝”開(kāi)辟了碳纖維生產(chǎn)的創(chuàng)新之路，它采用射頻負(fù)壓軟等離子法預(yù)氧化PAN原絲，接著用微波加熱法碳化，最后用射頻加熱法石墨化形成小絲束碳纖維。

　　三、碳纖維的發(fā)展

　　3.1國(guó)外發(fā)展

　　以PAN碳纖維為例，該纖維國(guó)際上研發(fā)已有30年左右，目前世界碳纖維的生產(chǎn)能力在3.4～3.8萬(wàn)噸左右，主要集中在日本、英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、韓國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家和我國(guó)臺(tái)灣省。日本三家以腈綸纖維為主要產(chǎn)品的公司(東麗、東邦以及三菱人造絲公司)依靠其先進(jìn)的紡絲科學(xué)技術(shù)，形成了高性能原絲生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，大量生產(chǎn)高性能碳纖維，使日本成為碳纖維大國(guó)，無(wú)論質(zhì)量還是數(shù)量上都處于世界前三位，三大集團(tuán)占據(jù)了世界75%以上的產(chǎn)量。

　　3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展

　　我國(guó)聚丙烯腈基碳纖維的研究開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)由于碳纖維作為重要的軍工產(chǎn)品，國(guó)外對(duì)我國(guó)進(jìn)行嚴(yán)格技術(shù)封鎖，使得當(dāng)時(shí)我國(guó)聚丙烯腈基碳纖維基本上以自主研究開(kāi)發(fā)為主。1976年中科院山西煤化所建成第一條聚丙烯腈基碳纖維中試生產(chǎn)線，生產(chǎn)出高強(qiáng)I型碳纖維，其產(chǎn)品性能基本達(dá)到日本東麗公司的T200。繼而從“六五”開(kāi)始試制高強(qiáng)Ⅱ型碳纖維(相當(dāng)于T300)，但到目前為止產(chǎn)品性能指標(biāo)仍未達(dá)到T300標(biāo)準(zhǔn)。吉林石化公司在采用硝酸一步法生產(chǎn)原絲的基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)出性能基本接近T300的碳纖維，但該法對(duì)環(huán)境污染較大，因而現(xiàn)已放棄。由于種種原因我國(guó)碳纖維發(fā)展緩慢，表現(xiàn)為生產(chǎn)規(guī)模小、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)品規(guī)格少、品種單一、沒(méi)有高性能產(chǎn)品、技術(shù)設(shè)備落后，大多沒(méi)有形成規(guī)模效益，這些成為制約我國(guó)碳纖維發(fā)展的瓶頸。