碳纖維處理技術(shù)探討

halley2008

各位：

    關(guān)于碳纖維，現(xiàn)在熱度比較高，所以本人想對碳纖維處理技術(shù)做一點入門級的了解。
望各位大俠能在保密的原則下，進行入門指點！
    謝謝！
（純粹是興趣使然，別無他意）
1、碳纖維處理技術(shù)如何實現(xiàn)？
2、處理劑成分基本組成是什么？
3、碳纖維在使用上要注意哪些要點？（比如和基體匹配性？）

news

看了后，又了解了那么一點[s:1]

nbacxf

好帖子，學習中。多謝1樓的詳細介紹。

halley2008

開了個頭，就沒人頂了？郁悶?。?br /> 看來還是自己頂，自己學好了，這技術(shù)專家們都不露臉？！暈！
那么我就專門研究一下這方面的資料，給大家整點上來，一起學習！呵呵！

halley2008

樓上的關(guān)于碳纖維講的詳細！謝謝！

sunshine

碳纖維－－是由有機母體纖維（例如粘膠絲、聚丙烯腈或瀝青）采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下制成的。其結(jié)果是除碳以外的所有元素都予以去除。碳纖維呈黑色，堅硬，具有強度高、重量輕等特點，是一種力學性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景，綜觀多種新興的復(fù)合材料(如高分子復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料)的優(yōu)異性能，不少人預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時代進入到一個復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的時代。

　  碳纖維的用途主要是利用其"輕而強"和"輕而硬"的力學特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工、體育休閑等結(jié)構(gòu)材料；利用其尺寸穩(wěn)定性，應(yīng)用于宇宙機械、電波望遠鏡和各種成型品；利用其耐疲勞性，應(yīng)用于直升飛機的葉片；利用其振動衰減性，應(yīng)用于音響器材；利用其耐高溫性，應(yīng)用于飛機剎車片和絕熱材料；利用其耐藥品性，應(yīng)用于密封填料和濾材；利用其電氣特性，應(yīng)用于電極材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料；利用其生體適應(yīng)性，應(yīng)用于人工骨、韌帶；利用其 X-光透過性，應(yīng)用于 X-光床板等。
　　此外，還可以活化成活性碳纖維，應(yīng)用于各種吸附領(lǐng)域。具體應(yīng)用例如：①釣魚桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬只，年碳纖維用量1200t；
②高爾夫球桿隨著輕量化和長尺寸化的要求，現(xiàn)已占碳纖維體育用品用途的50％，年碳纖維用量為2000t；
③網(wǎng)球拍的年市場規(guī)模約為450萬只，年碳纖維用量約500t；
④飛機方面，小型商務(wù)機和直升飛機的復(fù)合材料用量已占70％一80％，軍用機30％一40％，大型客機15％一20％；
⑤人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線要用高模碳纖維，先進的運載火箭和導(dǎo)彈殼體、發(fā)射筒等要用800H和 T300碳纖維等；
⑥土木建筑領(lǐng)域，已用于補修加工用片材、建筑部件、代鋼筋材料、屋頂構(gòu)架材料等；
⑦能源領(lǐng)域，已用于汽車的壓縮天然氣罐和風車葉片(長達30-40m)、海底油田管道、升降機等；
⑧交通運輸方面，已應(yīng)用于賽車、汽車傳動軸、大型卡車車體等；
⑨電子電器領(lǐng)域，已應(yīng)用于增強熱塑性樹脂的擠出成型品，如抗靜電 IC盤、筆記本電腦的筐體，具有電磁波屏蔽效果；
⑩其它，還有X-射線盒、醫(yī)用床板、印刷、制膜、造紙等用的各種滾軸、空氣或氧氣呼吸用壓力容器等等。

碳纖維產(chǎn)業(yè)是由原絲（PAN）生產(chǎn)再到預(yù)浸料再到具體的終端產(chǎn)家這么一個產(chǎn)業(yè)鏈。目前, 原絲的售價是40元～50元/公斤,碳纖維為200元/公斤,預(yù)浸料為500元/公斤,每一級的深加工都有高幅度的增值。

　　我國碳纖維的生產(chǎn)和使用尚處于起步階段, 國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)能力僅占世界高性能碳纖維總產(chǎn)量的0.4％左右,國內(nèi)用量的90％以上靠進口。而PAN 原絲質(zhì)量一直是制約我國碳纖維工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的瓶頸。另外,碳纖維長期以來被視為戰(zhàn)略物資,發(fā)達國家一直對外實行封鎖。因此,有關(guān)專家認為,強化基礎(chǔ)研究是創(chuàng)新之本, 是發(fā)展國內(nèi)碳纖維工業(yè)的根本出路。

    美國聯(lián)合碳化物公司（UCC）于1959年開始最早生產(chǎn)粘膠基碳纖維，五六十年代是粘膠基碳纖維的鼎盛時期，雖然時期已開始衰退，但是它作為耐燒蝕材料至今仍占有一席之地。1959年，日本研究人員發(fā)明了用聚丙烯腈（PAN）原絲制造碳纖維的新方法。在此基礎(chǔ)上，英國皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纖維的技術(shù)流程，使其發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨?，PAN基碳纖維成為當前碳纖維工業(yè)的主流，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的90%左右。1974年，美國聯(lián)合碳化物公司開媽了高性能中間相瀝青基碳纖維Thornel-35的研制，并取得成功。目前Thornel-P系列高性能瀝青碳纖維仍是最好的產(chǎn)品，這樣就形成了PAN基、瀝青基和粘膠基碳纖維的三大原料體系?！　?br />
    世界碳纖維的主要生產(chǎn)商為日本的東麗、東邦人造絲、三菱人造絲三大集團和美國的卓爾泰克（ZOLTEK）、阿克蘇（AKZO）、阿爾迪拉（ALDILI）和德車的SGL公司等。其中日本三大集團占世界生產(chǎn)能力的75%。世界CT型碳纖維總生產(chǎn)能力為22100噸/年，LT型碳纖維總生產(chǎn)能力為9550噸/年；實際生產(chǎn)量約為7000噸/年?！?br />
　  在20世紀90年代中期以前，軍事工業(yè)、航天與航空工業(yè)與體育休閑業(yè)一直是CT型碳纖維的主要市場。自1996年美國成功地將LT型碳纖維工為化以后，CT型碳纖維與LT型碳纖維競爭十分激烈。　　

    當前世界上PAN基炭纖維正處于迅速增長的發(fā)展期：產(chǎn)品性能趨向于高性能化，T700S加快取代T300作通用級炭纖維；產(chǎn)量增加較快，1996~2000增長48.1%；航天航空和體育用品用量增加穩(wěn)定，民用工業(yè)用量增幅較大，已超過前兩者，特別是隨著大絲束炭纖維的大規(guī)模生產(chǎn)，價格的降低，民用工業(yè)需求增加迅猛。




    目前，國內(nèi)研究開發(fā)以及生產(chǎn)碳纖維的呼聲很高，發(fā)展趨勢令人鼓舞。下面分別對各地區(qū)的開發(fā)情況作一簡介。
　　
(1)上海地區(qū)。
    最近上海石化公司召開了碳纖維原絲發(fā)展研討會，該公司準備投資過億元，采用NaSCN一步法生產(chǎn)數(shù)千噸PAN基原絲，真正形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。上海星樓實業(yè)有限公司也制定了一套碳纖維產(chǎn)業(yè)化發(fā)展計劃，擬建立400t／a 大絲束碳纖維生產(chǎn)線，總投資也超億元(包括下游產(chǎn)品)。此外，上海市合纖所采用亞砜兩步法研制和小批量生產(chǎn)PAN基原絲以及碳纖維；上海碳素廠也有小型碳化線及碳纖維下游產(chǎn)品。
　　
(2)安徽地區(qū)。
    “十五”期間，國家已批準在安徽蚌埠建立500t／aPAN 原絲和200t／a碳纖維生產(chǎn)線，總投資過億元。PAN原絲采用亞砜一步法，技術(shù)由國外引進；產(chǎn)品以12K的T300級碳纖維為主，并準備引進成熟的預(yù)浸料生產(chǎn)線。華皖集團(原蚌埠燈芯絨集團公司)二期建設(shè)規(guī)模將使碳纖維產(chǎn)量翻一番，達到400t／a。下游產(chǎn)品的開發(fā)也列入發(fā)展規(guī)劃。
　　
(3)浙江地區(qū)。
    中寶碳纖維責任有限公司在浙江嘉興擬建400t／a大絲束碳纖維生產(chǎn)線，技術(shù)和設(shè)備引進，投資數(shù)億元，并配套300萬m2預(yù)浸料。該項目國家已批準，并積極開展了前期論證和考查工作。根據(jù)國內(nèi)外市場動向及投資與回報等問題，暫緩建立碳纖維生產(chǎn)線，而集中力量開發(fā)預(yù)浸料等下游產(chǎn)品。同時，還成立了浙江省碳纖維工程技術(shù)研究開發(fā)中心，全面推進碳纖維事業(yè)。
　　
(4)廣西地區(qū)。
    桂林市化纖總廠擬建200t／a碳纖維生產(chǎn)線，產(chǎn)品為3—12K的小絲束碳纖維，投資也過億元。
　　
(5)山東地區(qū)。
    山東省已把碳纖維列入全省十大高技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)工程首位項目。
有以下幾個單位從事碳纖維及其制品的研究與生產(chǎn)，或準備介入碳纖維事業(yè)。
　　
●山東天泰碳纖維有限責任公司。作為國家計委示范工程將建400t/a生產(chǎn)線，碳纖維性能為T300級水平，產(chǎn)品以12K 為主。計400t/a投產(chǎn)后，再翻一番到800t/a，投資超億元。技術(shù)協(xié)作單位是山東工業(yè)大學等。同時該公司積極開發(fā)和生產(chǎn)多種下游產(chǎn)品。
　　
●青島將建立50t/a左右的碳纖維生產(chǎn)線，青島化工學院高分子工程材料研究所(恒晨公司)的介入，引起國內(nèi)同行們的極大關(guān)注。
　　
●山東威海光威漁具集團有限公司主要從事釣竿生產(chǎn)，碳纖維預(yù)浸布的規(guī)格有 30余種。根據(jù)發(fā)展趨勢，有可能向上游即PAN基原絲和碳纖維發(fā)展。此外，山東省東營生產(chǎn)力促進中心也在考慮招商引資建立碳纖維生產(chǎn)線，認為石油等工業(yè)是碳纖維的潛在市場。
　　
(6)北京化工大學與吉化公司樹脂廠， 將依靠自己的技術(shù)建500t/a 原絲和 200t/a碳纖維生產(chǎn)線。放棄硝酸法，采用亞砜一步法技術(shù)路線生產(chǎn)原絲。目前，正在進行中試實驗。
　　
(7)蘭化集團化纖廠已有100t/a原絲生產(chǎn)線和預(yù)氧化生產(chǎn)裝置，計劃配套碳化裝置生產(chǎn)碳纖維。原絲采用NaSCN一步法。該單位的晴綸生產(chǎn)線是我國從國外首次引進的，有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗和技術(shù)積累。
　　
(8)吉林碳素廠是我國小絲束碳纖維生產(chǎn)基地，已向用戶提供50 余噸小絲束碳纖維，為國家作出了積極貢獻。目前，該廠正在建立新的小絲束碳纖維生產(chǎn)線，擴大產(chǎn)量，以滿足市場需求。
　　
(9)中科院山西煤化所研制碳纖維已有30多年歷史。在70年代中期，建成我國第一條纖維中試生產(chǎn)線；在90年代末期，又建成我國第一條噸級粘膠基碳纖維生產(chǎn)線。目前該所與揚州聚酯責任有限公司共建碳材料聯(lián)合實驗室，研制高性能PAN 基碳纖維，并準備在揚州建立產(chǎn)業(yè)化基地。此外，山西榆次化纖廠是我國唯一用亞砜一步法生產(chǎn)PAN基原絲達數(shù)十年的單位，目前仍在生產(chǎn)。
　　
從以上信息可以看出，當前發(fā)展態(tài)勢有以下幾個特點：
①投入力度大；
②規(guī)模大；
③參與單位多，特別是大企業(yè)的參與；
④起點高，采用多項新技術(shù)、新工藝；
⑤自動化程度高，工控、程控在線配套使用；
⑥逐步建立起質(zhì)量控制和質(zhì)量檢測方法，特別是在線檢測。

三、重視基礎(chǔ)研究，建立自己的知識產(chǎn)權(quán)
　　
　　當前，除極個別單位外，大多數(shù)準備引進項目的技術(shù)和設(shè)備水平屬國際中下等，產(chǎn)品碳纖維也是這個檔次，引進后的消化、吸收與創(chuàng)新是面臨的重大課題。因此，在引進的同時應(yīng)該組織自己的技術(shù)隊伍，在消化吸收的基礎(chǔ)上求創(chuàng)新。如果只是沿著別人的腳印前進，就永遠是跟在別人后面，不會占據(jù)制高點。從大量國外資料可以清楚地看出，即使他們生產(chǎn)的碳纖維質(zhì)量和產(chǎn)量占據(jù)世界榜首，但其新思維、新方法、新設(shè)備、新成果仍不斷涌現(xiàn)，而不是墨守成規(guī)。日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲公司的小絲束碳纖維產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的74％左右(表1)，而這3個公司發(fā)表的專利也相當多。例如：東麗公司目前生產(chǎn)的碳纖維T1000，抗拉強度最高 ( 7.02GPa)、單絲直徑最細(5.3um)，可代表世界先進水平，但公司最新專利報道，其實驗室已研制出新一代碳纖維，抗拉強度已達到9.03GPa，比T1000提高了28.6％；單絲直徑降到3.2um，比T1000細了39.6％。同時，該公司還開發(fā)截面形狀為三葉形的PAN原絲及碳纖維，以拓寬其用途。
　　
　　基礎(chǔ)研究是創(chuàng)新之源，已引起各級領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)單位的重視，上下認識一致，有的已開始實施，這是提高我國碳纖維工業(yè)技術(shù)水平的關(guān)鍵之一。目前國家“863 計劃”以及有關(guān)部委都在關(guān)心我國碳纖維工業(yè)的發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化步伐，并給予強有力的支持。許多材料專家也扎扎實實的做了許多工作。無疑，“十五”將是我國碳纖維工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的黃金時代。

    為了充實G大元的資產(chǎn)質(zhì)量，大股東大連實德將旗下的中寶碳纖維公司部分股權(quán)以8.6折出售給上市公司。在此之前，G大元所持中寶碳纖維公司49%股權(quán)是全價受讓所得。
　　
　　5月10日，G大元和大連實德下屬的北京實德簽署受讓中寶碳纖維公司17.74%股權(quán)協(xié)議，受讓金額約為984萬元。相對中寶碳纖維公司的股本，等于說G大元是以8.6折價格受讓這部分股權(quán)的。在此次受讓之前，G大元已經(jīng)持有中寶碳纖維公司49%股權(quán)，但那是股權(quán)分置改革前全價受讓所得。
　　
　　G大元的公告說，此次重大資產(chǎn)購買的目的，是為了優(yōu)化公司主營業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)，增強核心競爭力和持續(xù)經(jīng)營能力，改善公司的資產(chǎn)狀況、提高盈利能力，以實現(xiàn)公司價值的最大化，從根本上保證長期健康發(fā)展，最大限度地保證廣大中小投資者的利益。
　　
　　中寶碳纖維公司于2004年1月正式投產(chǎn)，當年實現(xiàn)主營業(yè)務(wù)收入3010萬元，2005年實現(xiàn)主營業(yè)務(wù)收入6600萬元，凈利潤444萬元。

    碳纖維的發(fā)展在20世紀80年代表現(xiàn)為碳纖維的性能不斷提高，新品種的不斷問世；到了20世紀90年代，碳纖維的性能沒有多大發(fā)展，市場需求主要是成本的降低，表現(xiàn)在商用大絲束的發(fā)展和碳纖維復(fù)合材料在建筑，交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的擴大應(yīng)用。

（1）產(chǎn)品性能不斷提高

    老品種性能不斷提高，以日本東麗公司T300為例：T300在20世紀70年代初的拉伸強度為2450MPa；到20世紀80年代初，拉伸強度提高到2940～3140MPa；在20世紀80年底中期拉伸強度為3300～3430MPa；從1988年起，拉伸強度穩(wěn)定在3530MPa上下。

    象東麗公司T300這樣的標準模量級的高強度碳纖維占世界高性能碳纖維的90％；類似的品種還有Amoco的ThornelT300,Hercules的AS4和BASF的CelionG30~500等，其性能為拉伸模量為207～235GPa，拉伸強度3450～3800MPa.

(2) 中模高強型碳纖維的開發(fā)

    復(fù)合材料的力學性能主要取決于增強碳纖維的力學性能。因此，提高纖維的性能對改善復(fù)合材料的性能起著關(guān)鍵的作用。對航空工業(yè)中廣泛使用的碳纖維，提高其性能尤為重要。事實上，隨著飛機性能的提高以及復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用部位的擴大，復(fù)合材料的設(shè)計師很快發(fā)現(xiàn)典型的T-300一級碳纖維的性能偏低（主要表現(xiàn)在拉伸強度和斷裂應(yīng)變偏低），不能滿足新的設(shè)計思想對減輕飛機結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高飛機性能，降低成本，節(jié)省能源等方面的要求，尤其是對機翼，機身等主承力結(jié)構(gòu)更是如此，因此開發(fā)性能優(yōu)于T300的中模量高強度的碳纖維就顯得極為重要。

（3）高強高模MJ系列碳纖維

   1989年東麗公司在原高模量碳纖維M系列的基礎(chǔ)上，開發(fā)了相應(yīng)的高強高模MJ系列碳纖維新產(chǎn)品，使高模量碳纖維的強度得到較大的提高。開發(fā)使基于碳纖維微晶取向的最佳化從而得到高模量，使纖維缺陷降到最少得到高強度。

（4）高模量瀝青基碳纖維

    在開發(fā)高模量碳纖維過程中，要達到同樣的模量，PAN基要比瀝青基的處理溫度高數(shù)百度。美國聯(lián)碳公司開發(fā)的瀝青基P系列碳纖維，碳纖維的模量已接近理論模量。