國內碳纖維材料的生產現狀

1 前言
      碳纖維是指含碳量高于90% 的無機高分子纖維，一般作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成具有強度高、模量高、重量輕、抗疲勞、耐腐蝕等一系列優異性能的新型復合材料。與傳統的玻璃纖維( GF) 相比，楊氏模量是其3 倍多; 它與凱芙拉纖維( KF － 49) 相比，不僅楊氏模量是其2 倍左右，而且耐蝕性出類拔萃。碳纖維根據原絲類型可分為聚丙烯腈( PAN) 基、瀝青基和粘膠基等3 種; 根據力學性能可分為通用型、高性能型兩種。目前，全碳纖維生產中
以聚丙烯腈基為主。
       碳纖維的主要性能:
( 1) 密度小、質量輕，密度為1. 5 ～ 2g?cm－3，相當于鋼密度的l /4、鋁合金密度的1 /2;
( 2) 強度、彈性模量高，其強度比鋼大4 ～ 5倍，彈性回復l00%;
( 3) 具有各向異性，熱膨脹系數小，導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炸裂;
( 4 ) 導電性好，25℃ 時高模量纖維為775μΩ?cm － 1，高強度纖維為1500μΩ?cm － 1 ;
( 5) 耐高溫和低溫性好，在3000℃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，對酸呈惰性，能耐濃HCl、H3PO4、H2SO4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。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發生氧化，與金屬復合時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。因此，碳
        纖維在使用前須進行表面處理［1］。
       自碳纖維工業化生產以來，各國都特別重視其應用開發。通常，碳纖維不單獨使用，而是與塑料、橡膠、金屬、水泥、陶瓷等制成高性能的復合材料，該復合材料具有輕質、高強、耐高溫、耐疲
勞、抗腐蝕、導熱、導電等優良性質，已在現代工業領域得到廣泛應用。隨著碳纖維價格的不斷降低，其應用范圍從滿足性能要求高的航空、航天領域逐步向文體和民用領域擴展。
        2 國內碳纖維材料發展的現狀
        作為目前新型復合材料選的增強體―――碳纖維是一個高投資、高技術含量的產品，可對于的企業家來說好像門檻并不那么高，每年都有十幾家企業參與進來。但從技術方面來看，碳纖維生產涵蓋了高分子、無機和有機化學、材料科學等多個學科，以及化學工程、纖維成型、自控、機械等多項工程技術高度集成，且沒有國外樣品和技術作為借鑒，該產品對性能、形態結構、微結構要求很高，技術流程很復雜。①紡絲除考慮成本和力學性能外，還要考慮界面問題，如果碳纖維和樹脂基體表面結合不好，性能再高也無濟于事; ②碳纖維的碳化過程是制約其產業化工藝的關鍵問題，涉及相互獨立、相互制約的參數非常多; ③在制備技術方面，要具備較好的單元技術基礎，還有賴于技術的集成和裝備的整體技術水平。此外，與國外相比我國碳纖維發展在聚合的可控性、穩定化、高倍拉伸氧化控制、上漿劑、設備國產化、降低能耗物耗、環保等方面顯得較為薄弱［2］?！笆濉逼陂g，對包括碳纖維在內的高性能纖維產品在工業領域應用發展進行了立項和重點部署，積極研制高質量、高性能碳纖維產品，并不斷拓展其在軍用、航空航天、能源、環保、汽車、造船、橋梁、建筑、抽油桿、民用等方面的應用。
      此外，預計未來幾年碳纖維增強材料在汽車行業、軌道交通、風電等領域將迎來新的市場機遇。
表1 我國大陸主要PAN 基碳纖維生產及擬/在建項目統計t /a
    生產企業原絲產能碳纖維產能備注