世界高性能碳纤维的生产、市场与应用

先进复合材料具有高比强度、高比模量等特性，与传统结构材料相比有一系列突出优点，因此在航天航空、国防军工、交通运输、土木建筑、体育休闲、清洁能源、电子信息等领域获得广泛应用。高性能碳纤维是先进复合材料最重要的增强材料，对国防军工和国民经济都有举足轻重的影响。了解世界高性能碳纤维的生产、市场与应用对发展我国碳纤维工业和先进复合材料有重要参考价值。１世界高性能碳纤维（聚丙烯腈基）的生产能力犤１犦－犤２犦2002年世界高性能碳纤维（指聚丙烯腈基碳纤维，以下略）的生产能力约为31000吨，其中小丝束碳纤维约为23000…     

高性能PAN基碳纤维国产化进展及发展趋势

总结归纳了国际PAN基碳纤维发展历史,对我国四十余年碳纤维发展历程进行了分析解读.研究表明,随着20世纪末以二甲基亚砜为溶剂的丙烯腈间歇溶液聚合、湿法纺丝制备碳纤维原丝关键技术的突破,确立了高性能PAN碳纤维国产化发展正确的技术方向,实现了国产高性能碳纤维制备技术的转型升级,奠定了十余年来碳纤维国产化高速发展的技术基础,支撑了碳纤维高性能化系列产品与技术的持续研发,由此形成了以二甲基亚砜原丝技术为主体、硫氰酸钠和二甲基乙酰胺等技术共同发展的国产碳纤维技术体系,建立起国产碳纤维产学研相结合的发展格局.详细阐述了国产碳纤维技术与产业化发展现状,分析了国产化技术与产业存在的问题,对国产高性能PAN碳纤维技术研发与产品体系建设发展提出了几点建议.     

世界格局下的中国碳纤维产业发展

聚丙烯腈基碳纤维（PAN碳纤维）从20世纪60年代起步,经过30多年的发展和提高,到21世纪初,其制备技术与工艺基本成熟,市场被逐步打开。目前,日本东丽公司代表着高性能碳纤维研发的最高水平,开发出T300～T1000的高强型和高强高模碳纤维及M40S～M60J的高模型碳纤维。     

各向同性纺丝沥青及其碳纤维的制备与应用研究进展

现代科技的发展对碳纤维提出了高性能和低成本的要求。与聚丙烯腈基和中间相沥青基碳纤维相比，各向同性沥青基碳纤维在生产成本上具备明显优势，但其力学性能相对较低。厘清各向同性沥青及其制备工艺、微观结构和力学性能之间的关联关系，大幅度提升其力学性能，是进一步拓展其工业应用的必由之路。首先系统评述了各向同性沥青的合成、纺丝、预氧化及碳化工艺，分析了工艺参数对碳纤维结构和力学性能的影响，指明了提升碳纤维力学性能的关键因素和控制策略。然后介绍了各向同性沥青基碳纤维主要的应用领域。最后提出了高性能各向同性沥青基碳纤维生产过程中面临的挑战以及今后的研究方向。     

聚丙烯腈基碳纤维制备过程中微观结构的演变

碳纤维的微观结构是影响其强度和断裂行为的重要因素.PAN纤维、预氧化纤维的微观形态结构与最终碳纤维的结构有着密切的关系.阐述了PAN纤维和预氧化纤维的微观结构的研究进展,着重介绍了聚丙烯腈基碳纤维发展历史上有代表性的结构模型,以期为制备高性能碳纤维提供理论依据.     

不同商品化聚丙烯腈基碳纤维的微观结构研究

利用X射线衍射对比研究了日本东丽、东邦和国产3种牌号聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的微观结构。通过分析不同牌号的PAN基碳纤维晶体结构与石墨晶体结构的区别,以及不同牌号的PAN基碳纤维力学性能与微观结构的关系,表明了引起PAN基碳纤维力学性能差异的主要因素为石墨化程度、内部缺陷、晶粒尺寸大小以及晶粒排列规整程度。     

碳纤维材料工程技术研究进展

回顾了碳纤维材料的发展历程与现状,系统地总结了吉林石化公司聚丙烯腈基碳纤维及其前躯体聚丙烯腈纤维的技术研发历程及其取得的关键技术成果,同时详细介绍了碳纤维的工程技术研究进展与产业化现状,并展望了吉林石化公司碳纤维材料的产业发展前景。     

碳纤维工艺技术研究及发展现状

根据基础原料不同,分别对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维的工艺技术特点进行了分析研究,重点对PAN基碳纤维原丝生产、预氧化、碳化和后处理过程进行了深入分析,探讨了共聚单体、纺丝工艺及杂质含量对PAN原丝性能的影响,以及原丝性能对PAN基碳纤维产品质量和生产成本的影响,并进一步阐述了PAN基碳纤维的国内外发展现状及研究方向。     

非均相聚合工艺制备高分子量聚丙烯腈的研究进展

综述了非均相聚合工艺制备高分子量聚丙烯腈(PAN)聚合物的工艺特点及研究现状。由此可见,采用非均相聚合体系有利于制备高分子量的PAN聚合物,并成为制备高性能PAN基碳纤维的优良前驱体。     

高性能沥青基碳纤维原料的组成及结构鉴定

本文对两类煤系沥青基碳纤维原料的组成和性质进行了测定和研究。结果表明,煤焦油沥青和煤液化残渣(SRC)经过合适的工艺处理路线,都有可能作为高性能沥青基碳纤维的原料。而工艺处理的条件必须依据原料的不同组成和各种物理化学性质来确定.原料组成和性质的研究是生产煤系沥青基碳纤维的重要前提。     

聚丙烯腈基碳纤维的研制

利用DSC确定了工艺条件,同时利用SEM研究了聚丙烯腈基碳纤维在制备过程中形貌演变,所制备的碳纤维具有优异的力学性能和良好的均一性.     

不同碳源多孔碳纤维制备及其吸附性能

先用静电纺丝法制备聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)基高分子纤维,然后将其碳化制备出不同碳源的多孔碳纤维材料。使用X-射线衍射仪、红外光谱仪、差示扫描量热仪和N₂吸脱附分析仪等手段表征了碳纤维材料的结构和性能。结果表明,PAN基碳纤维的比表面积最大(113.5 m²/g)、微孔较多,对刚果红的吸附量最大(560.2 g/kg)。根据吸附动力学模型和吸附等温线的分析结果,碳纤维对刚果红的吸附属单层吸附。结果还表明,温度越高材料的吸附速率越高但是吸附量没有明显的变化;在酸性条件下PVA基碳纤维保持较高的吸附活性,而PAN基碳纤维则与之相反;刚果红水溶液的pH值对PVP基碳纤维吸附活性的影响很小。     

阳极氧化表面处理对碳纤维性能的影响

通过对国产PAN基碳纤维和沥青基碳纤维阳极氧化处理,得到了两种纤维的性能(σ_f,Cox/Cgr,表面形态)随阳极氧化处理条件变化的关系.实验结果表明,阳极氧化能较大地增加碳纤维表面的化学活性和物理活性.碳纤维经阳极氧化后,表面形成①—C—OH,②—C—OH=O,—O—C—O—,③—C=O,④R—CO₃—四种类型的含氧官能团,随阳极电位的升高,表面含氧官能团含量增加.阳极处理后的碳纤维,在其表面形成了微细缺陷,缺陷的形状因纤维的种类不同而不同.阳极电位是影响碳纤维性能最关键的电极参数.     

国产ZT7H碳纤维表面状态及其复合材料界面性能

目前我国在高性能碳纤维研发生产方面已取得了突破性的进展。本文选用不同批次和牌号的国产ZT7H碳纤维,对其进行去浆和上浆处理,并制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料,探究国产H1型上浆剂对ZT7H碳纤维表面形貌和微观界面性能的影响及不同牌号碳纤维复合材料界面性能的差异。研究表明,H1上浆剂增加了碳纤维表面粗糙度和极性组分含量,增强了湿热老化前后复合材料的微观界面力学性能。同时,碳纤维织物的编织方式对其复合材料的静态力学性能和界面性能有很大影响。实验证明,国产ZT7H碳纤维的性能已超过东丽T700碳纤维,但其加工工艺性仍有待提升。      

聚合物/碳纳米管复合材料纤维的制备和性能

碳纳米管增强聚合物基体复合材料纤维是近几年发展起来的一个新的研究方向。从制备方法的角度对复合材料纤维进行了分类,评述了复合材料纤维的制备方法及其结构和性能研究的最新进展。并对存在的问题及今后的研究方向进行了展望。     

高刚度环氧树脂与高模碳纤维的界面相容和性能匹配

自行开发了一种高刚度环氧树脂（5182树脂）,研究了5182树脂的增刚机制、耐热性能和力学性能。结果表明,原位生成的酰亚胺刚性链段及增加的多交联位点提高了5182树脂交联网络的刚性,其玻璃化转变温度达228℃,拉伸模量达到4 375 MPa。采用高刚度5182树脂制备了国产BHM3和东丽M40J高模碳纤维增强高刚度环氧树脂复合材料,考察了高模碳纤维/高刚度环氧树脂单丝复合材料的界面黏结性能和断面微观形貌,并评价了高模碳纤维/高刚度环氧树脂单向复合材料的宏观力学性能。结果表明,由于树脂模量的提高及界面破坏区域由碳纤维表面转移到环氧树脂区,高模碳纤维/高刚度环氧树脂复合材料的界面剪切强度最高达106.8 MPa,宏观力学性能优异,尤其弯曲性能和层间剪切强度大幅提高。      

国产T700级碳纤维/BMI复合材料湿热性能

为研究国产碳纤维复合材料湿热性能,基于热压罐制备工艺,分别将国产T700级碳纤维和日本东丽T700S碳纤维与国产QY9611双马树脂进行匹配,从纤维表面物理/化学状态、吸湿曲线、吸湿后玻璃化转变温度、宏观力学性能等方面对2种复合材料开展湿热性能研究.结果表明:国产T700/BMI复合材料的饱和吸湿率为0.77%(35 d),T700S/BMI复合材料的饱和吸湿率为0.81%(19 d);71℃水浸168 h后,国产T700/BMI的玻璃化转变温度(T_g)下降10.3%(由252.1℃到226.2℃),T700S/BMI复合材料的玻璃化转变温度(T_g)下降8.7%(由256.6℃到234.3℃);150℃湿态环境下,国产T700/BMI复合材料90°拉伸强度与T700S/BMI基本相当,0°压缩强度较T700S/BMI高约17.9%,层间剪切强度较T700S/BMI高约9.3%,表明国产T700/BMI复合材料具有更优良的湿热力学性能.     

我国聚丙烯腈基碳纤维发展的回顾与几点建议

简要回顾了我国聚丙烯腈基碳纤维的研究开发历程,并重点分析和论述影响我国碳纤维科技成果转化为产业的各种因素和存在问题,结合当前所面临的机遇和挑战,提出了今后发展的几点意见和建议。     

国产T800碳纤维/双马来酰亚胺复合材料的界面及力学性能

分别采用日本东丽T800H和国产T800碳纤维作为增强体,采用热压罐工艺制备双马来酰亚胺树脂基复合材料。研究了2种碳纤维的表面物理和化学状态,复合材料的微观界面性能及力学性能。结果表明:国产T800碳纤维表面沟槽分布较多,表面粗糙度较高,有利于与树脂基体形成更好的物理结合作用。同时,国产T800碳纤维表面具有较多的含氧官能团,有利于与基体树脂形成更好的化学结合作用。因此,国产T800碳纤维的界面剪切强度较T800H碳纤维高约27%。国产T800/HT-280复合材料的力学性能均普遍高于T800H/HT-280复合材料,其中,90°拉伸强度高约25%,面内剪切强度、弯曲强度高约12%,层间剪切强度高约7%。      

阳极氧化对PAN基高模碳纤维表面的影响

采用阳极氧化法对PAN基高模碳纤维进行在线表面处理,重点研究了氧化电流密度对炭纤维表面形貌、比表面积、表面官能团的影响.结果表明,电流密度时纤维形貌、比表面积影响不大;氧化后纤维表面官能团显著提高.根据实验结果,提出了PAN基高模炭纤维的氧化模型.