[苏格拉伟]碳纤维

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1、新材料是新技术发展的物质基础，市场的需求促进了新材料的发展，加快了材料的更新换代。因此，新材料的研发步伐始终与新技术的发展同步前进，相辅相成，共同发展。碳纤维以及复合材料的发展也不例外。在新世纪高端技术发展的背景之下，碳纤维以及复合材料的性能日臻完善，应用领域逐步拓宽。它不仅应用于航天航空和军事工业领域，而且在能源交通、信息通讯和建材领域等民用方面的应用与日俱增。1.碳纤维的起源碳纤维的起源可以追溯到19世纪60年代。1860年，英国人瑟夫·斯旺将细长的绳状纸片炭化制取碳丝，以此制作电灯的灯丝。大约在1

2、879年，他把棉纱侵入硫酸，焦干处理，然后再炭化，或将硝化纤维素从模孔中挤出成丝，然后再炭化，并获得专利。由于当时斯旺没能解决灯泡的真空问题，白炽灯也就没有了使用的价值。但他是研制碳丝的第一人，同时利用空口挤压纤维素技术而为后人合成纤维的问世起到了启迪作用。爱迪生不仅解决了碳丝应用于白炽灯灯丝问题，而且解决了灯泡的真空问题，使其具有了实用性。爱迪生于1879年10月21日发明电灯，使其灯亮了45个小时，开创了人类电灯的新纪元。在1910年，库里奇发明了拉制钨丝法，取代了碳丝作为灯丝，因此碳丝的研制工作停

3、止了下来，直到20世纪50年代碳丝的研制又重新出现，但研究的是解决战略武器和耐高温和耐烧蚀材料。而今天的碳纤维已经成为了一个举足轻重的新型材料体系，并且已经广泛应用于航空航天、军事和民用工业领域，强劲发展。2.碳纤维生产的三大原料概况20世界50年代，美国研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能，因此开发研制出新型结构材料和耐烧蚀材料，并逐渐形成了粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维和聚丙烯腈基碳纤维三大原料体系生产碳纤维。粘胶基碳纤维粘胶基碳纤维主要用于耐烧蚀材料和隔热材料，到目前为止，粘胶基碳纤维仍然占有

4、其他碳纤维不可取代的地位，仍然是重要的战略物资。在民用市场方面，利用其柔软性与导电性制成电热产品，利用其空隙结构发达和容易调控的特性制造活性碳纤维系列制品，是良好的环境材料和医用卫生材料。粘胶基碳纤维的产量不足世界碳纤维总产量的1%，它虽然不会有太大的发展，但是也不会被彻底淘汰出局。在碳纤维领域中仍会占有一席之地。沥青基碳纤维沥青基碳纤维的目前市场占有率处于第二位。最初是日本学者大谷杉郎开始用聚氯乙烯（PVC），在惰性气体保护下加热到400℃，然后将所得的PVC沥青进行熔融纺丝，之后在空气中加热到26

5、0℃进行不熔化处理，即预氧化，在经过炭化等一系列的处理得到沥青基碳纤维。目前国内外熔纺沥青多使用煤焦油沥青、石油沥青或合成沥青。聚丙烯腈基碳纤维1959年日本大阪工业试验所的近藤昭男发明了利用聚丙烯腈纤维制造碳纤维的方法。这一创新促进了碳纤维工业的大发展，成为当前制造碳纤维的主流。但是当时近藤昭男并没有制造出高性能的聚丙烯腈基碳纤维，阻挡其技术发展的一个重要因素就是要制造高质量的聚丙烯腈原丝。事实证明，谁掌握了高质量原丝的生产技术，谁就掌握了主动权。目前世界上几条著名的聚丙烯腈基碳纤维生产线大多是从原

6、丝开始直到碳纤维以及中、下游产品开发形成了一条龙生产线。例如，日本的东丽、东邦、三菱人造丝公司，美国的赫克利公司和阿莫科公司都是从聚合、纺丝开始的。在一个公司实施一条龙生产，可以有效地将原丝、预氧丝和碳纤维质量前后关联起来统一研究，有利于质量的提升。反观我们国家研制聚丙烯腈基碳纤维发展历程，从无到有，从小到大，取得了许多成绩，并为国家提供了急需的新材料，初步形成了我国碳纤维工业的雏形。但是，我们与国外先进水平比较，差距还很大，聚丙烯腈基碳纤维原丝质量生产还没有真正过关。还有生产的碳纤维不仅强度低，而且伸

7、长率的分散性太大，很难用同一预氧化条件来氧化处理，不得不分类后分别处理。近年来国外碳纤维质量得到较大幅度的提高，并进入大批量的生产阶段，而我们国家在目前仍然无法攻克原丝质量和批量生产的问题。究其原因，还是国产聚丙烯腈基碳纤维原丝质量仍是制约国内碳纤维发展的瓶颈。同时，也忽略了关键设备的研制。设备满足不了工艺条件的要求，工艺跟着设备走，影响到整体的前进步伐。当前聚丙烯腈基碳纤维向两个方向发展，一是提高，二是普及。提高是指小丝束(1~24K)碳纤维的质量，普及是指大丝束（48~540K）碳纤维的产量大幅度增

8、加，价格日趋下降。由目前美国阿克苏、阿尔笛和卓克泰克三大公司的大丝束产品产量占世界总产量的74.1%。大丝束碳纤维产量已经占到世界聚丙烯腈基碳纤维总产量的27.9%，小丝束占到72.1%。对比大丝束与小丝束碳纤维其优势在于价格低，有利于向民用市场推广的应用。特别是大丝束碳纤维制造预浸料技术难点的解决促进了大丝束碳纤维的发展。3.碳纤维的应用碳纤维很少直接应用，大多数是深加工制成中间产物或者复合材料使用。碳纤维是具有高强度，高模量，耐高温，耐