PAN基碳纤维的生产与应用

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1、PAN基碳纤维的生产与应用CONTENTS01碳纤维基本概况02碳纤维的结构与特性03碳纤维的生产与表面处理04碳纤维复合材料的应用01碳纤维基本概述碳纤维基本概述碳纤维作为一种材料，最早可以追溯到1880年，美国著名科学家爱迪生在白炽灯的开发过程中，真正被重视并规模化使用是第二次世界大战后。随着冷战的开始，大量航空航天和空间探测项目被立项，客观上需要开发一种质量轻、强度高并且耐烧蚀的材料。1964年，联邦碳化物公司以纤维素为原料正式推出一款商业化的碳纤维Thornel-25,其拉伸强度1.25Mpa，杨氏模量170Gpa。1959年日本大阪工业试验所

2、的近藤昭男博士，开始对用PAN纤维为原料制备碳纤维的研究。名称特征PAN基碳纤维以PAN为前驱体，经碳化后得到的纤维，与后两者相比更容易得到高强度的产品沥青碳纤维将沥青前驱体碳化后得到，各向同性沥青基碳纤维结晶构造少，强度、模量低。中间相沥青基碳纤维结晶发达，强度、模量高。黏胶基碳纤维以纤维素为原料得到的碳纤维。若碳化时不加牵伸，得到各向碳纤维按原料分类同性的碳纤维，若加牵伸则得到强度大各向异性的碳纤维PAN基碳纤维的早期研发历程年份日本英国美国1959年大阪工业试验所对PAN基碳纤维进行研究并获得专利1961年东丽公司对PAN基碳纤维进行研究1963

3、年RAE开始高弹性PAN基碳纤维的研发1964年Watt等确定了预氧化过程施加张力的UCC开始出售首次被商业化的碳纤重要性维1965年原子能研究所研究连续PAN基碳纤维的量产1966年Courtaulds等三家公司获得生产授权1968年东丽获三项专利1969年东邦、三菱对PAN原丝和碳纤维制备工艺研究1970年东丽获得PAN基碳纤维专利授权1971年东丽开始生产Torayca碳纤维Hercules获得生产许可1972年东丽碳纤维鱼竿开始出售，TenaxT碳纤维试验线开工世界范围内碳纤维供需格局进入21世纪后，随着全世界范围内“节能省力”、“减少温室气体

4、排放”等环境意识的日益高涨，碳纤维的应用领域不断扩展和扩大，需求量以每年15%的速率快速增长。2015年需求量大约6万吨。到2020年预计能够扩大到15万吨。新增的大部分需求在一般工业领域碳纤维生产格局21世纪以来，全球主要的PAN基碳纤维生产商中，日本有三家公司，即东丽、东邦（被帝人集团收购）、三菱，欧美有四家公司，即Hexcel、Cytec、SGL、Zoltek(已被东丽收购），台湾一家即台塑，土耳其一家即AKSA2012年2016年东邦东邦东丽东丽三菱三菱HexcelHexcelCytecCytec台塑台塑ZoltekZoltekSGLSGLAK

5、SAAKSA其他其他碳纤维的成本构成美国橡树岭国家实验室的研究人员通过对美国一家使用50k原丝制造碳纤维的厂家进行参考，建立碳纤维的成本模型。利润总成本制造成本（美元/磅）6%售后65%研发成本56%4管理成本7%3制造成本2营销成本53%23%10原丝预氧化碳化表面处理包装02碳纤维的结构与特性碳纤维的微观结构碳纤维中的碳元素含量超过92%，以石墨单质存在，其本质上属于石墨材料。第二丰富的元素为氮，含量为0.5-7%，主要以嘌呤环的形式存在。PAN原丝经过高温处理后，脱除大部分杂原子，最终形成乱层石墨结构，在纤维内部，一些区域的石墨层堆积的规整，接近

6、理想石墨晶体，称为晶区，另外一部分堆积的杂乱，更接近无定型碳，称为非晶区。石墨结构呈现明显的各向异性，碳原子之间通过共价键链接体现良好的机械强度和导热导电性能，层间通过范德华力相连，容易出现滑移和剥离，表现为低的模量和热及电的不良导体碳纤维中微晶尺寸与纤维的模量和压缩强度大小有明显的线性对应关系，尺寸越大，纤维的拉伸模量越大，同时径向的压缩强度越小。碳纤维的空间结构1.皮芯结构表层致密，结晶化程度高，空隙较少，而芯部相对疏松，结晶化程度低，空隙更多纺丝过程，PAN从聚合液的形态凝固过程，溶剂向凝固浴中扩散为从表到里，凝固层现在表面形成，阻碍内部扩散。

7、预氧化过程由氧气的扩散程度决定，扩散过程由表及里，表面更先形成更致密皮层，阻碍氧气进一步扩散到里层。2.晶区、无定型区、及气孔低温碳化过程中纤维快速分解，短时间生产大量的气体，这些气体必须由纤维的内部逸出，气体的逸出通道形成通孔。石墨化过程，杂原子进一步剥离，增加缺陷数量碳纤维的宏观结构1.K数不加捻的连续丝束中所含单丝的数量，早期可能将单丝数控制在1000-12000根，后期为了降低碳纤维的生产成本将单丝数扩大到32000-48000，单丝丝束大的碳纤维称为大丝束碳纤维主要用于民用领域，单丝丝束小的小丝束碳纤维主要用于军用领域。2.单丝直径单丝

8、断面的直径大小，由PAN原丝纤维的大小及热处理条件决定，一般原丝的直径为13-14微米时，碳纤