1、序言

碳纖維材料(carbonfiber，通稱CF)，是一種碳含量在95%之上的高韌性、高韌性化學(xué)纖維的新式紡織材料。它是由塊狀高純石墨納米微晶等有機(jī)纖維沿化學(xué)纖維軸徑方位堆積而成，經(jīng)炭化及石墨化解決而獲得的納米微晶石墨材料。碳纖維材料“外剛內(nèi)柔”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但抗壓強(qiáng)度卻高過鋼材，而且具備抗腐蝕、高韌性的特點，在國防軍工和民用型層面全是關(guān)鍵原材料。它不但具備碳材料的原有本征特點，又兼具紡織品化學(xué)纖維的綿軟可工藝性能，是新一代提高化學(xué)纖維。碳纖維材料具備很多優(yōu)質(zhì)特性，碳纖維材料的軸徑抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變速率高，相對密度低，非空氣氧化自然環(huán)境下耐高溫高壓，耐疲憊性好，定壓比熱及導(dǎo)電率接近非金屬材料和金屬材料中間，線膨脹系數(shù)小且具備各種各樣，耐蝕性好，X射線通過性好。碳纖維材料與傳統(tǒng)式的玻纖對比，楊氏模量是其3倍多;它與凱夫拉纖維對比，楊氏模量是其2倍上下，在溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐腐蝕性突顯。

碳纖維材料因為其特性、形狀、生產(chǎn)制造方式、起止原材料的差別，因而碳纖維材料不但有工業(yè)化生產(chǎn)的商品，也是有尚處在試驗環(huán)節(jié)，及其尚難以預(yù)料其市場前景的類型，商品范疇十分普遍，一切一種商品在不一樣生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)與運用環(huán)節(jié)的科研開發(fā)都會不斷的發(fā)展之中。文中關(guān)鍵詳細(xì)介紹銷售市場上普遍的碳纖維材料以及有關(guān)生產(chǎn)工藝，試驗室中的歸類型號規(guī)格在這里不做探討。而且文中僅對中國碳纖維材料生產(chǎn)工藝以及有關(guān)發(fā)展趨勢狀況開展分析，相關(guān)世界各國碳纖維材料的發(fā)展趨勢歷史時間、全世界碳纖維材料銷售市場布局，中國碳纖維材料公司的整體實力與營運能力等信息內(nèi)容，煩請參照碳纖維材料領(lǐng)域投資建議匯報之一：《下游應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，國內(nèi)增長空間巨大》（公布于2020/02/17，全篇28頁）。

2、碳纖維材料歸類介紹

2.1以原材料管理體系歸類

碳纖維材料關(guān)鍵分成黏膠基、瀝清基和聚噻吩（PAN）基三大類型，各不相同的應(yīng)用情景和生產(chǎn)制造方式。在其中瀝清基碳纖維材料碳成品率大，能夠做到80-90，可是在具體生產(chǎn)制造中，為了更好地從瀝清中得到 高品質(zhì)、性能卓越的碳纖維材料，務(wù)必要對瀝清產(chǎn)品精修特制、調(diào)配。此全過程會大大增加產(chǎn)品成本，即便 瀝清原材料來源于豐富多彩，質(zhì)優(yōu)價廉，也無法運用于大批工業(yè)生產(chǎn)運用生產(chǎn)制造。而PAN基碳纖維材料綜合型能好是、生產(chǎn)工藝流程完善簡易、運用最廣、生產(chǎn)量大、種類數(shù)最多，是現(xiàn)階段全世界碳纖維材料銷售市場的流行碳纖維材料商品，生產(chǎn)量占全世界碳纖維材料總產(chǎn)值的90%之上。

2.2以產(chǎn)品形態(tài)歸類

銷售市場上普遍的碳纖維材料商品全是繞著紙筒打卷起來的持續(xù)皮質(zhì)脊髓束，皮質(zhì)脊髓束中包括1000到數(shù)十萬根直徑為5-8μm、橫斷面為環(huán)形或橢圓型的碳纖維材料細(xì)條?，F(xiàn)階段碳纖維材料的基礎(chǔ)形狀有持續(xù)長化學(xué)纖維和短切化學(xué)纖維（長短為1-100毫米的碳纖維材料）二種，在具體應(yīng)用中，依據(jù)生產(chǎn)加工方式和最后產(chǎn)品的樣子等，能夠分成各種各樣不一樣的形狀。即根據(jù)對持續(xù)長化學(xué)纖維和短切化學(xué)纖維產(chǎn)品精修各種各樣生產(chǎn)加工，進(jìn)而得到 紡織物、紡織物、紙、氈等形狀。

2.3依照物理性能歸類

碳纖維材料的物理性能會依據(jù)實際的型號規(guī)格、等級的差別而在一個很寬的范疇內(nèi)變化。在其中最重要的好多個性能參數(shù)為抗拉強(qiáng)度，彈性模具和相對密度。碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度越高，則表明化學(xué)纖維中心線能夠承擔(dān)的荷載就越高，原材料抗壓強(qiáng)度越大；彈性模具越大，表明化學(xué)纖維在一定的荷載下的形變量越小，即化學(xué)纖維的剛度越好；相對密度越小，同容積的化學(xué)纖維凈重則越低，有關(guān)高分子材料的減脂實際效果就越高。依據(jù)碳纖維材料物理性能的差別，在我國已于2011年11月13日施行了《聚丙烯腈（PAN）基碳纖維國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T26752-2011）》，將碳纖維材料分成高強(qiáng)度，高強(qiáng)度中模，高模與高強(qiáng)度高模四種，因為日本東麗在全世界碳纖維材料領(lǐng)域具備肯定領(lǐng)跑優(yōu)點，中國在一些有關(guān)匯報中也會應(yīng)用日本東麗的T系列產(chǎn)品與M系列產(chǎn)品規(guī)范開展歸類.

2.4依照絲束尺寸歸類

碳纖維材料的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，K表明碳纖維材料拉絲的總數(shù)，如1K意味著一束化學(xué)纖維絲里包括了1000根拉絲。一般而言，1K、3K、6K、12K和24K的被稱作小絲束；48K、60K、80K、120K及之上的則稱之為大絲束。小絲束的商品是碳纖維材料的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，原是碳纖維材料高分子材料制成品開發(fā)設(shè)計的基礎(chǔ)素材圖片。小絲束碳纖維材料在加工工藝操縱上規(guī)定更嚴(yán)苛，炭化等機(jī)器設(shè)備工程造價高，關(guān)鍵運用于國防軍工等新科技行業(yè)，及其文體用品，如飛機(jī)場、巡航導(dǎo)彈、火箭彈、通訊衛(wèi)星和釣具、高爾夫球具、羽毛球拍等。大絲束碳纖維材料成本費相對性較低，具備高些的性價比高，但是在商品的開發(fā)設(shè)計前期，存有著特性無法提升 、生產(chǎn)過程實際操作艱難等難題?，F(xiàn)階段關(guān)鍵運用于醫(yī)療機(jī)械、機(jī)電工程、土木工程、道路運輸和電力能源等工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)。

3、PAN基碳纖維材料的制做生產(chǎn)流程剖析

大家以現(xiàn)階段銷售市場流行的丙烯腈（PAN）基碳纖維材料全產(chǎn)業(yè)鏈為例子，詳細(xì)碳纖維材料全產(chǎn)業(yè)鏈包括上下游的石油化工產(chǎn)業(yè)，中上游的短纖維生產(chǎn)加工、碳纖維材料有關(guān)物質(zhì)及其碳纖維材料高分子材料生產(chǎn)制造、關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備制造及其中下游的應(yīng)用商店構(gòu)成。PAN基碳纖維材料的制取步驟從PAN短纖維制逐漸，根據(jù)丙烯腈（AN）單個匯聚再根據(jù)濕式或濕區(qū)法紡紗制取PAN短纖維；歷經(jīng)預(yù)空氣氧化（200～300℃）、炭化（1000～1500℃）、石墨化（2500～3000℃）的全過程，使線形的聚噻吩高分子材料造成空氣氧化、熱裂解、化學(xué)交聯(lián)、環(huán)化等一系列化學(xué)變化并去除氫、氮、氧等分子產(chǎn)生高純石墨態(tài)的碳纖維材料；再根據(jù)液相或高效液相空氣氧化等金屬表面處理授予化學(xué)纖維有機(jī)化學(xué)特異性，釋放退漿劑開展退漿解決來維護(hù)化學(xué)纖維并進(jìn)一步提高與環(huán)氧樹脂的親和性；最終放卷包裝產(chǎn)生碳纖維材料單邊帶，或再根據(jù)定編產(chǎn)生碳纖維材料紡織物輸出向中下游市場銷售.

3.1PAN短纖維的生產(chǎn)制造加工工藝

碳纖維材料產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)品研發(fā)前期，關(guān)鍵商品為一般錦綸碳纖維材料，可是這類加工工藝難以獲得高結(jié)構(gòu)力學(xué)性的碳纖維材料商品，僅有應(yīng)用專業(yè)歷經(jīng)提升的PAN化學(xué)纖維，才可以提升 碳纖維材料的特性。這類為了更好地得到 性能卓越碳纖維材料而專業(yè)提升后的PAN化學(xué)纖維，就被稱作短纖維。PAN短纖維是生產(chǎn)制造碳纖維材料的原料，短纖維的特性能夠在非常大水平上決策碳纖維材料的特性，換句話說，假如要想得到 特性優(yōu)質(zhì)的碳纖維材料，務(wù)必先有特性優(yōu)質(zhì)的PAN短纖維。PAN短纖維的特性，從實質(zhì)上而言關(guān)鍵在于在其中的PAN分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和排序方式。在其中PAN分子式的操縱關(guān)鍵集中化在匯聚加工工藝，而PAN分子結(jié)構(gòu)的排序方式則關(guān)鍵在紡紗加工工藝中產(chǎn)生。

3.1.1匯聚加工工藝

用以制取碳纖維材料的PAN高聚物務(wù)必歷經(jīng)獨特的可靠性設(shè)計，在其中重要的是匯聚加工工藝的設(shè)計方案，由于這將立即危害到短纖維中PAN分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。丙烯腈匯聚歸屬于氧自由基加成反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)全過程。丙烯腈單個每一次加成聚合都必須開啟一個C=C烴基，另外形成2個σ單鍵，進(jìn)而釋放發(fā)熱量。且獲得的PAN化學(xué)纖維中PAN分子結(jié)構(gòu)鏈整齊度不錯、晶粒大小較高，但化學(xué)纖維欠缺軟性，不利事后工藝流程開展。此外，PAN均聚物的預(yù)空氣氧化原始溫度較高，因為在預(yù)空氣氧化原始環(huán)節(jié)會造成化學(xué)反應(yīng)，集中化放熱反應(yīng)會造成 短纖維中PAN分子結(jié)構(gòu)鏈的開裂，并產(chǎn)生孔眼缺點構(gòu)造，危害生產(chǎn)工藝流程可靠性和碳纖維材料品質(zhì)，是制做的難題之一。因而在具體加工過程中，一般將丙烯腈與一些共聚物單個開展共聚物，可合理地操縱預(yù)空氣氧化全過程中的化學(xué)反應(yīng)，在事后流程中得到 品質(zhì)高些的碳纖維材料。衣康酸（IA）、丙烯酸甲酯（AA）、乙酸乙烯酯（MAA）等是常見的共聚物單個，這種共聚物單個可調(diào)整紡紗水溶液的可紡性。并改進(jìn)凝結(jié)浴中的相分離全過程。得到 構(gòu)造比較高密度的PAN短纖維。除此之外，在預(yù)空氣氧化時可引起分子結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)化功效，使環(huán)化反映由氧自由基型轉(zhuǎn)換為無機(jī)化合物，并提升短纖維的氧透水性，有益于預(yù)空氣氧化全過程加工工藝操縱。

丙烯酸樹脂中性化共聚物單個具備增塑作用，提升 PAN的溶解度并改進(jìn)水溶液的觸變性能，使其具有可紡性，另外改進(jìn)預(yù)空氣氧化全過程中co2向短纖維中的滲入。而衣康酸等含羧基官能團(tuán)共聚物單個的存有能夠改進(jìn)PAN短纖維凝結(jié)全過程中凝結(jié)物質(zhì)向化學(xué)纖維內(nèi)部的透水性——碳纖維制品