我国碳纤维发展亟待攻克瓶颈

    高性能纤维是指耐热好、质量轻、强度高、高模量的特种纤维材料。作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有本征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代军民两用新材料，已广泛用于航空航天、交通、体育与休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。     美国联合碳化物公司（UCC）于1959年开始最早生产粘胶基碳纤维，五六十年代是粘胶基碳纤维的鼎盛时期，虽然目前已开始衰退，但是它作为耐烧蚀材料至今仍占有一席之地。1959年，日本研究人员发明了用聚丙烯腈（PAN）原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道，PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流，产量占世界总产量的90％左右。1974年，美国联合碳化物公司开始了高性能中间相沥青基碳纤维Thornel－P55的研制，并取得成功。目前Thornel－P系列高性能沥青碳纤维仍是最好的产品，这样就形成了PAN基、沥青基和粘胶基碳纤维的三大原料体系。     我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，至今已有三十多年的历史。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，产品性能基本达到日本东丽公司的T200，国内也叫做高强I型碳纤维。我国从“六五”开始研制高强II型碳纤维（相当于T300），但历经20年，产品性能指标仍未达到T300标准，至今仍处于中试放大阶段。专家认为，制约我国碳纤维发展的“瓶颈”是PAN原丝质量没有真正过关。     提高PAN原丝质量     PAN原丝不仅影响碳纤维的质量，而且影响其产量和生产成本。换言之，只有高质量的原丝才能生产出高性能碳纤维，才能稳定生产，提高产量，降低成本。对于现代碳纤维生产线，要求喂入丝束数在100以上，且高速运行；如果原丝质量低劣、彼此性能差异较大，易在生产过程中产生毛丝缠结，甚至发生断丝，很难稳定生产，这样必然加大原丝的损耗。对于质量好的PAN原丝，用2.2kg左右的原丝可生产出1kg碳纤维；而质量差的原丝，则需2.5kg，甚至更高，这必然加大生产成本，而原丝成本占碳纤维生产成本的50～65％。所以，PAN原丝质量不仅可左右碳纤维的性能，而且也制约着碳纤维的生产成本和市场竞争能力。     扩大生产线规模     除PAN原丝质量外，扩大生产规模也是降低成本的有效途径。国外一条碳纤维生产线的年生产能力在200吨以上，而我国至今还没有一条百吨级碳纤维生产线。这也是我国工程化开发的差距之一。为了降低生产成本，国外大丝束碳纤维（48K～480K）发展很快，形成了与小丝束（1K～24K）碳纤维竞争市场的格局。而国内目前还没有正式的大丝束PAN原丝生产厂家，也就没有大丝束碳纤维生产装置与技术。     增强拉伸强度     碳纤维是由有机PAN纤维经过一系列热处理转化而来的。碳纤维属于脆性材料，拉伸强度等性能受控于各类缺陷。因此，在一定意义上来讲，提高碳纤维的拉伸强度等性能就是采取技术措施减少缺陷数目、减小缺陷尺寸的过程。从碳纤维的缺陷产生可大致分为两类：一类是先天性缺陷，由PAN原丝“遗传”给碳纤维；第二类是后天性缺陷，在预氧化、碳化等一系列后处理过程中产生。从缺陷在碳纤维中所处的位置又可分为表面缺陷和内部缺陷两大类，而表面缺陷占缺陷总数的90％左右，对拉伸强度的影响要比内部缺陷大得多。所以，在生产碳纤维全过程中（从聚合开始到碳纤维收丝）都要关注缺陷的产生和演变以及控制缺陷的技术措施，其中包括油剂质量和上油剂工艺。这也是提高碳纤维拉伸强度的主要途径。碳纤维的理论强度为180GPa，目前世界上强度最高的碳纤维T1000（日本东丽公司）的拉伸强度也仅是理论值的3.9％，而国产碳纤维的拉伸强度则更低，所以提高碳纤维的拉伸强度有很大的潜力和空间。     对碳纤维发展的建议     碳纤维是一门多学科交叉、多技术集成的系统工程，质量的提升涉及到方方面面。可从以下几个方面优先考虑：研制高纯度原丝，把先天性缺陷降低到最小程度。经大量检测表明，国产原丝和碳纤维所含碱、碱土金属和铁的含量比国外大得多。它们的存在不仅影响聚合和纺丝的稳定性，而且在高温碳化过程中逸走而残留下孔隙，所以，聚合所用原料要纯，纺丝空间应洁净化，所用设备应耐腐蚀。     我国PAN原丝强度（力）比较低，国外在6.0g／d以上。在一定范围内，碳纤维的拉伸强度随着原丝强力的提高而提高，而提高原丝强力的技术措施之一是相应提高PAN树脂的分子量。     细旦化高强度碳纤维的发展趋势之一是单丝直径较细。直径越细，包含大缺陷的几率越少，尺寸效应十分显著。纳米碳纤维可望在性能上有大的突破。     均质化主要是纤维横截面由表及里结构均匀，性能一致。这就要求PAN原丝、预氧化纤维和碳纤维无明显的皮芯结构。纤维的皮芯结构易在凝固成纤过程或预氧化热处理过程产生，最佳工艺条件的选择则十分重要。     细晶化对于脆性材料，缺陷大小与微晶尺寸视为同一数量级。细晶化有利于对缺陷的控制和碳纤维抗拉强度的提高，特别是压缩强度的提高。细晶化应从聚合开始，贯穿于生产碳纤维的全过程。     随着我国经济的快速发展，国内碳纤维的需求与日俱增，而加强技术创新是我国碳纤维加快发展，实现产业化的关键。