碳纖維及碳纖維復合材料生產技術四大現狀

　　碳纖維(carbon fiber，簡稱CF)，是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。

　　碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性好等。

　　碳纖維按原料來源可以分為PAN基碳纖維、粘膠基碳纖維、瀝青基碳纖維、酚醛基碳纖維和氣相生長碳纖維，其間PAN基碳纖維市場占有率超越90%，其出產流程包含纖維紡絲，預氧化、碳化，復合成型和收回使用等流程。

　　原絲出產技能現狀

　　原絲的高純化、高強化、致密化以及表面光潔是制備高功能碳纖維的首要條件。在PAN基碳纖維出產中，原絲約占總本錢的50%～60%，原絲質量既影響碳纖維的質量，又制約其出產本錢。

　　原絲出產包含聚合和紡絲。原絲聚合是丙烯腈和第二單體、第三單體在引發(fā)劑效果下進行共聚反應，生成PAN紡絲液。日本東麗選用AIBN(偶氮二異丁腈)作引發(fā)劑，二甲基亞砜(DMSO)作溶劑，DMSO+AIBN系統憑仗其操作安全和高質量商品，成為碳纖維丙烯腈聚合的干流辦法。

　　PAN基碳纖維原絲經過濕法和干噴濕紡紡絲技能制作。濕法紡絲是碳纖維出產遍及選用的辦法，其技能老練，易工程化，所得原絲纖度均勻且纖維表面溝槽構造易于后道復合加工;干噴濕紡是將干法和濕法聯系的新辦法，可完成高品質原絲的細纖化和均質化，紡絲速度是濕法紡絲的5～10倍，是高功能原絲出產最佳辦法之一。

　　碳纖維的出產技能現狀

　　原絲經預氧化、碳化和后處理等技能制得碳纖維。預氧化是纖維組織構造改變的過渡期間，在確保絲條均質化的前提下，縮短預氧化時刻，能夠降低出產本錢。碳化是纖維亂層石墨構造的成形期間，可使纖維強度大幅提升，碳化條件操控不妥會形成纖維構造中有空地、裂紋等缺陷，影響碳纖維功能。石墨化即高溫下牽伸，使纖維由亂層石墨構造向三維石墨構造轉化，進步增強了碳纖維彈性模量。

　　碳化爐是制作碳纖維的關鍵設備，國產碳化爐發(fā)熱體最高耐熱溫度1400 ℃，而國外大規(guī)劃高溫碳化爐對中國實施出口約束，中等規(guī)劃碳化爐報價又很高，進一步提高了國內碳纖維的建造本錢，導致國產碳纖維市場競爭力缺乏，研制高強級碳纖維出產線的國產設備迫在眉睫。

　　碳纖維增強復合材料技能現狀

　　碳纖維增強復合材料是以碳纖維及織物為增強體、樹脂為基體制成，其代表是以三維織造物為增強體，選用樹脂傳遞模塑技能(RTM)進行浸膠固化而成的三維織造復合材料。

　　三維織造技能具有較強的仿形織造才能，能夠完成雜亂構造的全體織造，常用織造技能有四步法、二步法及多層聯鎖織造技能。四步法操作靈活性強，織造物全體構造好，但織造速度較慢，對設備要求較高;二步法織造簡略，易完成自動化，適合織造較厚制件，但其執(zhí)行機構以間斷的離散辦法運動;多層聯鎖織造技能織造的織物機械功能好，設備可平穩(wěn)連續(xù)作業(yè)，但不易完成自動化出產。現在可滿意大而厚預制件織造需要的大型三維織造機不多，規(guī)劃與研制高水平的三維織造機仍是盡力的方向。

　　三維織造完成了增強材料的全體成型，而RTM技能恰是適于全體成型的技能辦法。RTM技能是將液態(tài)樹脂寫入閉合模具中滋潤增強材料并固化成型的技能辦法，是接近終究形狀部件的出產辦法，根本無需后續(xù)加工。因為其效率高、能耗低、技能適應性強等長處，適合多品種、高質量的領先復合材料加工。RTM-三維織造復合材料是徹底全體構造，與傳統復合材料比較，具有較高的損害容限、強度和模量，為復合材料使用于承力構造件，特別是使用于航天航空等范疇提供了寬廣遠景。

　　碳纖維增強復合材料收回使用現狀

　　收回使用碳纖維可降低能耗、節(jié)約能源，首要辦法有高溫熱解法、流化床分化法和超/亞臨界流體法。

　　高溫熱解法是在高溫下使復合材料降解，收回的碳纖維力學功能降低起伏較大，影響碳纖維再使用，是現在僅有商業(yè)化運營的收回辦法;

　　流化床熱分化法選用高溫空氣暖流對復合材料進行高溫熱分化，通常用旋風分離器來取得表面潔凈的碳纖維，因為受高溫、砂粒磨損的影響，碳纖維長度變短、力學功能降低，影響收回碳纖維的使用規(guī)模;

　　超/亞臨界法是使用液體在臨界點鄰近具有高活性和高溶解性等功能來分化復合材料，最大極限地保存碳纖維的初始功能，因為其共同的優(yōu)越性，遭到產業(yè)界高度重視，將可能成為碳纖維首要收回辦法之一，現在多數收回技能仍停留在實驗期間，商業(yè)化路途綿長。