碳纤维的制备工艺及应用

碳纤维的制备工艺：

1. 原丝制备：

- 原材料选择：目前最常用的原材料是聚丙烯腈（PAN），约占总产量的 90%，另外还有煤沥青和黏胶丝等，但性能上 PAN 基碳纤维综合表现更优。

- 聚合反应：以 PAN 为例，丙烯腈单体进行自由基加成聚合反应。该反应是放热过程，得到的 PAN 分子链规整度较好、结晶度较高，但纤维缺乏柔性，不利于后续工序进行。为解决此问题，通常将丙烯腈与一些共聚单体进行共聚，这样可以有效控制预氧化过程中的放热反应、调节纺丝溶液的可纺性、改善凝固浴中的相分离过程，获得结构较为致密的 PAN 原丝。聚合溶液制备主要有一步法和两步法。

- 一步法：丙烯腈在二甲基亚砜（DMSO）中聚合，经脱单脱泡后直接用于 PAN 原丝制备，该方法操作相对简单，流程短，适合我国大部分碳纤维生产厂家。

- 两步法：采用 PAN 水相沉淀聚合，所得 PAN 粉体经水洗、干燥后再溶解于 DMSO 和二甲基乙酰胺（DMAC）等溶剂中制备纺丝溶液。其优点是可以获得分子量较高、分子量分布比较均匀的聚合物，并且聚合速率较快、转化率较高，但纺丝前需要重新溶解，且固体粒子的分离和干燥耗能较大，较少用于小丝束碳纤维原丝生产。

- 纺丝原液制备：聚合后的溶液经过脱除未反应的单体和体系中的微小气泡等处理，调整聚合物到一定浓度，得到纺丝原液。需要注意防止原液的凝胶化，并且在纺丝之前要进行过滤，除去固态杂物、未溶解的聚合物、聚合物凝胶等，通常采用两级过滤，滤芯最小孔径为 5μm 甚至 2μm。

- 纺丝工艺：

- 湿法纺丝：将喷丝板浸入凝固浴中，纺丝液从喷丝头挤出后以细流的形态进入到凝固浴中，原液喷出后立即凝固。该方法操作简单，对生产环境和操作水平要求较低，但所制原丝性能相对较低，一般用于生产 T300、T400 等性能较低的碳纤维。

- 干喷湿纺（干湿法）：喷丝板与凝固浴脱离一段距离，原液喷出后先经过一段空气段，在未凝固的条件下被牵伸均匀，再进入凝固浴进行双扩散。这种方法可提高生产效率，所制纤维致密性好、体密度较高、拉伸强度更高，能生产高性能碳纤维，但对纺丝工艺和原液质量要求很高。

2. 预氧化处理：将原丝在 200 - 300℃的空气中进行预氧化，使其线性分子链转化为耐热的梯形结构，这一步骤对于后续的碳化过程至关重要，能够提高纤维的热稳定性和抗氧化性能。

3. 碳化阶段：在惰性气体（如氮气）保护下，将预氧化后的纤维加热至 1000 - 1500℃进行高温碳化，去除非碳原子，形成碳含量高达 90%以上的碳纤维。

4. 石墨化处理：在更高的温度（2000 - 3000℃）下，在惰性气体保护的情况下，让纤维中的结晶碳往石墨晶体转变，提高碳纤维的结晶度和取向度，使其性能更加优异，如弹性模量等会进一步提升。

5. 表面处理与上浆：通过气相或液相氧化等表面处理赋予纤维化学活性，然后施加上浆剂进行上浆处理，保护纤维并进一步提高与树脂的亲和性。

碳纤维的应用：

1. 航空航天领域：

- 飞机结构件：碳纤维复合材料具有质量轻、高强度、高比刚度等特性，可用于制造飞机的机翼、尾翼、方向舵、起落架等部件，能够减轻飞机重量，提高燃油效率，增加航程。例如，美国最先进的大黄蜂式战斗机的机架装配零件有 1/8 是碳纤维增强复合材料。

- 航天器部件：在火箭、空间站、卫星、导弹武器等航天器上，碳纤维可用于制造结构件、发动机壳体等，能够大幅降低结构重量，提高燃料效率和飞行器的性能。如美国 80 年代研制的洲际导弹三级壳体全都采用碳纤维和环氧树脂复合材料。

2. 汽车领域：

- 车身结构：碳纤维可以使汽车的轻量化取得突破性进展，用于制造汽车的车身结构件，如车顶、车门、后备箱盖等，能够降低汽车的整体重量，提高汽车的性能和燃油经济性。与普通汽车相比，碳纤维汽车重量更轻、速度更快、油耗更低。

- 发动机部件：如发动机缸体、活塞、连杆等部件，使用碳纤维材料可以提高发动机的性能和可靠性，降低发动机的重量和惯性。

3. 体育休闲领域：

- 体育器材：碳纤维广泛应用于高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、冰球棍、自行车等体育器材的制造，能够提高器材的强度、刚度和轻量化程度，提升运动员的使用体验和竞技水平。

- 乐器：部分乐器也开始采用碳纤维复合材料，如碳纤维材质的古筝等，具有重量轻、强度高、音色独特等优点。

4. 医疗器械领域：碳纤维复合材料是制作医疗床板的优秀材料，射线透过率高达 97%以上，成像更加清晰，重量相比传统医疗床板减轻约 45%，并且化学性质稳定，抗腐蚀能力强，即便和酒精、药物、血液等常见医疗物品长期接触也不会出现腐蚀，清理方便。

5. 轨道交通领域：碳纤维复合材料可使轨道列车车体轻量化，改进高速运行性能、降低能耗、减轻环境污染、增强安全性，是新一代高速轨道列车车体选材的重点。

6. 能源领域：在风力发电领域，碳纤维可用于制造风力发电机的叶片、塔筒等部件，能够提高风力发电机的效率和可靠性，降低维护成本。

7. 建筑领域：可用于加固建筑结构，如桥梁、建筑物的梁、柱等，提高结构的承载能力和抗震性能；还可以用于制造建筑装饰材料，如建筑幕墙等，具有美观、耐用等特点。

                                                                                                    沈阳佳美机械-杨晓波18540392393