碳纖維及碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)四大現(xiàn)狀

　　碳纖維(carbon fiber，簡(jiǎn)稱CF)，是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)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(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國(guó)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(qiáng)纖維。

　　碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強(qiáng)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(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)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(zhǎng)碳纖維，其間PAN基碳纖維市場(chǎng)占有率超越90%，其出產(chǎn)流程包含纖維紡絲，預(yù)氧化、碳化，復(fù)合成型和收回使用等流程。

　　原絲出產(chǎn)技能現(xiàn)狀

　　原絲的高純化、高強(qiáng)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(chǎn)中，原絲約占總本錢的50%～60%，原絲質(zhì)量既影響碳纖維的質(zhì)量，又制約其出產(chǎn)本錢。

　　原絲出產(chǎn)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(jìn)行共聚反應(yīng)，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(tǒng)憑仗其操作安全和高質(zhì)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(jīng)過濕法和干噴濕紡紡絲技能制作。濕法紡絲是碳纖維出產(chǎn)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(gòu)造易于后道復(fù)合加工;干噴濕紡是將干法和濕法聯(lián)系的新辦法，可完成高品質(zhì)原絲的細(xì)纖化和均質(zhì)化，紡絲速度是濕法紡絲的5～10倍，是高功能原絲出產(chǎn)最佳辦法之一。

　　碳纖維的出產(chǎn)技能現(xiàn)狀

　　原絲經(jīng)預(yù)氧化、碳化和后處理等技能制得碳纖維。預(yù)氧化是纖維組織構(gòu)造改變的過渡期間，在確保絲條均質(zhì)化的前提下，縮短預(yù)氧化時(shí)刻，能夠降低出產(chǎn)本錢。碳化是纖維亂層石墨構(gòu)造的成形期間，可使纖維強(qiáng)度大幅提升，碳化條件操控不妥會(huì)形成纖維構(gòu)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(gòu)造向三維石墨構(gòu)造轉(zhuǎn)化，進(jìn)步增強(qiáng)了碳纖維彈性模量。

　　碳化爐是制作碳纖維的關(guān)鍵設(shè)備，國(guó)產(chǎn)碳化爐發(fā)熱體最高耐熱溫度1400 ℃，而國(guó)外大規(guī)劃高溫碳化爐對(duì)中國(guó)實(shí)施出口約束，中等規(guī)劃碳化爐報(bào)價(jià)又很高，進(jìn)一步提高了國(guó)內(nèi)碳纖維的建造本錢，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)碳纖維市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力缺乏，研制高強(qiáng)級(jí)碳纖維出產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)設(shè)備迫在眉睫。

　　碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技能現(xiàn)狀

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

　　三維織造技能具有較強(qiáng)的仿形織造才能，能夠完成雜亂構(gòu)造的全體織造，常用織造技能有四步法、二步法及多層聯(lián)鎖織造技能。四步法操作靈活性強(qiáng)，織造物全體構(gòu)造好，但織造速度較慢，對(duì)設(shè)備要求較高;二步法織造簡(jiǎn)略，易完成自動(dòng)化，適合織造較厚制件，但其執(zhí)行機(jī)構(gòu)以間斷的離散辦法運(yùn)動(dòng);多層聯(lián)鎖織造技能織造的織物機(jī)械功能好，設(shè)備可平穩(wěn)連續(xù)作業(yè)，但不易完成自動(dòng)化出產(chǎn)?，F(xiàn)在可滿意大而厚預(yù)制件織造需要的大型三維織造機(jī)不多，規(guī)劃與研制高水平的三維織造機(jī)仍是盡力的方向。

　　三維織造完成了增強(qiáng)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(rùn)增強(qiáng)材料并固化成型的技能辦法，是接近終究形狀部件的出產(chǎn)辦法，根本無需后續(xù)加工。因?yàn)槠湫矢摺⒛芎牡?、技能適應(yīng)性強(qiáng)等長(zhǎng)處，適合多品種、高質(zhì)量的領(lǐng)先復(fù)合材料加工。RTM-三維織造復(fù)合材料是徹底全體構(gòu)造，與傳統(tǒng)復(fù)合材料比較，具有較高的損害容限、強(qiáng)度和模量，為復(fù)合材料使用于承力構(gòu)造件，特別是使用于航天航空等范疇提供了寬廣遠(yuǎn)景。

　　碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料收回使用現(xiàn)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?zé)峤夥?、流化床分化法和?亞臨界流體法。

　　高溫?zé)峤夥ㄊ窃诟邷叵率箯?fù)合材料降解，收回的碳纖維力學(xué)功能降低起伏較大，影響碳纖維再使用，是現(xiàn)在僅有商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的收回辦法;

　　流化床熱分化法選用高溫空氣暖流對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行高溫?zé)岱只?，通常用旋風(fēng)分離器來取得表面潔凈的碳纖維，因?yàn)槭芨邷?、砂粒磨損的影響，碳纖維長(zhǎng)度變短、力學(xué)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(diǎn)鄰近具有高活性和高溶解性等功能來分化復(fù)合材料，最大極限地保存碳纖維的初始功能，因?yàn)槠涔餐膬?yōu)越性，遭到產(chǎn)業(yè)界高度重視，將可能成為碳纖維首要收回辦法之一，現(xiàn)在多數(shù)收回技能仍停留在實(shí)驗(yàn)期間，商業(yè)化路途綿長(zhǎng)。