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原絲生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀
原絲的高純化、高強(qiáng)化、致密化以及表面光潔是制備高性能碳纖維的要條件。在PAN基碳纖維生產(chǎn)中，原絲約占總成本的50%～60%，原絲質(zhì)量既影響碳纖維的質(zhì)量，又制約其生產(chǎn)成本。
原絲生產(chǎn)包括聚合和紡絲。原絲聚合是丙烯腈和第二單體、第三單體在引發(fā)劑作用下進(jìn)行共聚反應(yīng)，生成PAN紡絲液。日本東麗采用AIBN（偶氮二異丁腈）作引發(fā)劑，二甲基亞砜（DMSO）作溶劑，DMSO+AIBN體系憑借其操作安全和高質(zhì)量產(chǎn)品，成為碳纖維丙烯腈聚合的主流方法。PAN基碳纖維原絲通過濕法和干噴濕紡紡絲工藝制造。濕法紡絲是碳纖維生產(chǎn)普遍采用的方法，其技術(shù)成熟，易工程化，所得原絲纖度均勻且纖維表面溝槽結(jié)構(gòu)易于后道復(fù)合加工；干噴濕紡是將干法和濕法結(jié)合的新方法，可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)原絲的細(xì)纖化和均質(zhì)化，紡絲速度是濕法紡絲的5～10倍，是高性能原絲生產(chǎn)好方法之一。東麗、三菱麗陽，美國赫氏和韓國曉星都擁有干噴濕紡紡絲技術(shù)，中復(fù)神鷹、中油吉化等少數(shù)企業(yè)掌握干噴濕紡T700級碳纖維原絲生產(chǎn)技術(shù)，但產(chǎn)品的穩(wěn)定性有待提高。
碳纖維的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀
原絲經(jīng)預(yù)氧化、碳化和后處理等工藝制得碳纖維。預(yù)氧化是纖維組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過渡階段，在保證絲條均質(zhì)化的前提下，縮短預(yù)氧化時(shí)間，可以降低生產(chǎn)成本。碳化是纖維亂層石墨結(jié)構(gòu)的成形階段，可使纖維強(qiáng)度大幅提升，碳化條件控制不當(dāng)會造成纖維結(jié)構(gòu)中有空隙、裂紋等缺陷，影響碳纖維性能。石墨化即高溫下牽伸，使纖維由亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，提高碳纖維彈性模量。
碳化爐是制造碳纖維的關(guān)鍵設(shè)備，國產(chǎn)碳化爐發(fā)熱體高耐熱溫度1 400 ℃，而國外大規(guī)模高溫碳化爐對我國實(shí)行出口限制，中等規(guī)模碳化爐價(jià)格又很高，提高了國內(nèi)碳纖維的建設(shè)成本，導(dǎo)致國產(chǎn)碳纖維市場競爭力不足，研發(fā)高強(qiáng)級碳纖維生產(chǎn)線的國產(chǎn)設(shè)備迫在眉睫。
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)現(xiàn)狀
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是以碳纖維及織物為增強(qiáng)體、樹脂為基體制成，其代表是以三維編織物為增強(qiáng)體，采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）進(jìn)行浸膠固化而成的三維編織復(fù)合材料。三維編織技術(shù)具有較強(qiáng)的仿形編織能力，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體編織，常用編織工藝有四步法、二步法及多層聯(lián)鎖編織工藝。四步法操作靈活性強(qiáng)，編織物整體結(jié)構(gòu)好，但編織速度較慢，對設(shè)備要求較高；二步法織造簡單，易實(shí)現(xiàn)自動化，適合編織較厚制件，但其執(zhí)行機(jī)構(gòu)以間斷的離散方式運(yùn)動；多層聯(lián)鎖編織工藝編織的織物機(jī)械性能好，設(shè)備可平穩(wěn)連續(xù)工作，但不易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。目前可滿足大而厚預(yù)制件編織需求的大型三維編織機(jī)不多，設(shè)計(jì)與研發(fā)高水平的三維編織機(jī)仍是努力的方向。
三維編織實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)材料的整體成型，而RTM工藝正是適于整體成型的工藝方法。RTM工藝是將液態(tài)樹脂注入閉合模具中浸潤增強(qiáng)材料并固化成型的工藝方法，是接近終形狀部件的生產(chǎn)方法，基本無需后續(xù)加工。由于其效率高、能耗低、工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適宜多品種、高質(zhì)量的先進(jìn)復(fù)合材料加工。RTM-三維編織復(fù)合材料是完全整體結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比，具有較高的損傷容限、強(qiáng)度和模量，為復(fù)合材料應(yīng)用于承力結(jié)構(gòu)件，特別是應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域提供了廣闊前景。
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料回收利用現(xiàn)狀
回收利用碳纖維可降低能耗、節(jié)約能源，主要方法有高溫?zé)峤夥ā⒘骰卜纸夥ê统?亞臨界流體法。高溫?zé)峤夥ㄊ窃诟邷叵率箯?fù)合材料降解，回收的碳纖維力學(xué)性能降低幅度較大，影響碳纖維再利用，是目前唯一商業(yè)化運(yùn)營的回收方法；流化床熱分解法采用高溫空氣熱流對復(fù)合材料進(jìn)行高溫?zé)岱纸猓ǔＳ眯L(fēng)分離器來獲得表面干凈的碳纖維，由于受高溫、砂粒磨損的影響，碳纖維長度變短、力學(xué)性能下降，影響回收碳纖維的應(yīng)用范圍；超/亞臨界法是利用液體在臨界點(diǎn)附近具有高活性和高溶解性等性能來分解復(fù)合材料，大限度地保留碳纖維的原始性能，由于其獨(dú)特的優(yōu)越性，受到產(chǎn)業(yè)界高度重視，將可能成為碳纖維主要回收方法之一，目前多數(shù)回收技術(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)階段，商業(yè)化道路漫長。
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