PAN基高模量碳纖維的技術現狀與研究進展:國內進展

由于國外實施嚴格技術封鎖,國內PAN基高模量碳纖維長期發展緩慢,與日本、美國等相比存在明顯的差距。進入2000年以后,隨著對高性能碳纖維領域重視程度提升以及持續不斷的科研投入,高性能國產化工作成效顯著。
  
近年來,國內已突破T800級、T1000級中模量碳纖維制備技術。與中模量碳纖維相比,國內從事PAN基高模量碳纖維研究單位較少,主要有中科院山西煤化所、北京化工大學、東華大學、中科院寧波材料所等。
  
早在2006年,中科院山西煤化所便開展了PAN基高模量碳纖維研究工作,通過使用日本東麗T300級碳纖維為原料,經過2400-3000℃高溫石墨化處理制備得到的高模量碳纖維模量高達到424 GPa。2009年,北京化工大學制備得到國產M40型高模量碳纖維(拉伸強度3200-3300 MPa、拉伸模量400 GPa),并初步具備了小批量供應能力。
技
由于高溫石墨化處理工藝溫度高,對裝備要求極高,2011年,東華大學科研人員開展了碳纖維的催化石墨化研究,使用東麗T700級碳纖維為原料,經過硼酸浸漬處理后再進行石墨化處理,進一步采用催化石墨化方法制備了高模量碳纖維,其單絲高拉伸模量在400GPa左右,拉伸強度則介于2000-3000 MPa。
  
“十二五”期間國內高性能碳纖維進展迅速,而國內在PAN基高模量碳纖維領域也取得階段性進展。2015年,北京化工大學突破了國產M40J級高模量碳纖維技術,并與藍星集團、空間技術研究院、北京都科技發展集團就產業化項目簽約。
  
2016年1月,中科院寧波材料所在噸級中試平臺研制出拉伸強度4860 MPa、拉伸模量541 GPa的PAN基高模量碳纖維,標志著國內在國產M55J級高模量碳纖維制備技術領域實現了突破。2018年3月,中科院寧波材料所再度研制出拉伸強度5240 MPa、拉伸模量593 GPa的國產M60J級高模量碳纖維。
  
隨后國內在PAN基高模量碳纖維工程化技術也取得一定進展,2018年6月,北京化工大學聯合空間技術研究院、威海拓展等單位承擔科技部項目“聚丙烯腈碳纖維石墨化關鍵技術研究”通過技術驗收,突破了QM4055級(M55J級)高模量碳纖維制備關鍵技術,初步具備了工程化制備能力。2020年6月,中科院寧波材料所在PAN基高模量碳纖維領域取得新進展,研制的PAN基高模量碳纖維高模量已達到639 GPa。
 
目前國內開展PAN基高模量碳纖維技術研發的生產企業較少,2015年在科技部支持下,威海拓展纖維有限公司、中簡科技發展有限公司分別承擔了國產M55J級高模量碳纖維關鍵技術項目研發,項目于2018年通過驗收;在2019年8月,威海拓展纖維有限公司公開發表的文獻中,其研制的QM4055J碳纖維拉伸模量高達到565 GPa。
  
綜上所述,國內在PAN基高模量碳纖維領域長期處于技術跟蹤階段,但是得益于對高性能碳纖維領域的高度重視和政策支持,近年來尤其是“十二五”以來,國內已經形成了M40J、M55J級高模量碳纖維工程化技術,突破了M60J、M65J級高模量碳纖維實驗室技術,而在兼具高強度、高模量、高伸長特性的新一代PAN基高模量碳纖維領域,國內部分科研院所與企業也正在進行聯合技術攻關,逐步縮小著與國外的技術差距。