国产高性能聚丙烯腈基碳纤维技术特点及发展趋势

 聚丙烯腈基碳纤维兼具高性能和低比重，是轻质高强、轻质高模等高端装备轻量化的首选材料，是高性能纤维的典型代表，受到世界各国政府、国防与工业领域、科技与产业界的高度关注。从聚丙烯腈碳纤维材料的结构性能特征出发，介绍了聚丙烯腈基碳纤维制备的工艺流程、结构与性能的相关性；从高强碳纤维被发明、高强中模碳纤维因需求牵引而研发成功、更高性能碳纤维的不断创新发明，直至进入新世纪后对高性能低成本化的重视，阐述了国际聚丙烯腈基碳纤维技术发展的4个关键阶段；分析了国产碳纤维通过自主创新，建立以二甲基亚砜为主、包含其他工艺技术的发展历程。从高强和高强中模碳纤维、高模和高模高强碳纤维、低成本大丝束碳纤维的国产化有序发展，展示了碳纤维国产化技术水平不断提高、碳纤维制备与应用不断融合的现状。最后结合国际技术发展动态和中国碳纤维技术积累基础，提出了开展颠覆性技术研究的建议，认为新型聚丙烯腈成纤技术、原材料创新和碳纤维制备过程新型热源技术等值得高度关注。     

激光石墨化沥青基碳纤维的力学性能研究

为提升沥青基碳纤维的力学性能,采用自制的激光超高温石墨化装置对中间相沥青基碳纤维进行石墨化处理。通过改变实验过程中的激光功率、牵伸力及碳纤维直径等3个因素制备了多组样品,研究了沥青基碳纤维拉伸强度随温度的变化规律,并分析了石墨化过程中牵伸力及碳纤维直径对其力学性能的影响。结果表明：沥青基碳纤维石墨化能承受的最大激光功率为360 W,对应的温度约为3 050℃,在此条件下处理得到的碳纤维拉伸强度由1.0 GPa提升至2.5 GPa;在碳纤维的承受范围内,其力学性能随着温度、牵伸力的增加而提高;直径较小的碳纤维力学性能提升更大。     

国产高性能聚丙烯腈基碳纤维制备技术研究进展

 综述了近年来高性能聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的研究进展,对PAN聚合、原丝制备、预氧化和碳化过程中最为关键的问题进行了总结：（1）聚合工艺对共聚单体在PAN分子链上的分布和溶液的均匀性非常重要。与间歇聚合或半连续聚合工艺相比,连续溶液聚合工艺可以提供更稳定的纺丝溶液,减少聚合过程中微凝胶的产生,并提高PAN原丝乃至碳纤维的均匀性。（2）PAN溶液进行湿法或干湿法纺丝过程中,相分离过程控制对PAN原丝及其碳纤维中微缺陷形成和发展,微缺陷的含量至关重要,并最终影响碳纤维的性能。干燥和牵伸工艺对于优化PAN碳纤维原丝的结晶和取向结构,制备高品质的碳纤维原丝同样起决定作用。（3）预氧化的升温速度、最高预氧化温度和预氧化张力控制对预氧丝的皮芯结构、环化指数及其对后续碳化工序的顺利进行产生重要的影响并影响碳纤维的性能;碳化的最高温度影响PAN基碳纤维的强度和模量。（4）碳纤维的结构与其性能具有直接相关性,中国对相关研究仍然比较缺乏,碳纤维生产技术水平和自主创新能力仍然不足。     

中国高性能碳纤维产业的创新发展

 介绍了碳纤维产业在中国从无到有的发展历程。中国碳纤维在产业化过程中解决了装备不足、成本偏高、应用设计能力缺乏等问题。以光威集团为例，阐释了中国企业在中国碳纤维产业发展中的突出作用。中国碳纤维研制目前面临4个问题：产业化工艺与装备核心技术仍未本质突破；碳纤维研制及应用重大基础科学问题尚未探明；大部分应用领域缺乏复合材料设计-制造-评价-考核验证能力；人才规模有限、分布不均。基于此，提出了加强高端碳纤维及其复合材料系列化和自主创新等建议。     

PAN基碳纤维微结构特征的研究

利用X射线衍射（XRD）,拉曼光谱（Raman）对几种高性能聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的微观结构进行了研究,并初步讨论了微观结构对碳纤维机械性能的影响机理。研究结果表明：高强（T系列）碳纤维的微晶约由5～6层石墨平面组成,高强高模（MJ系列）碳纤维的微晶约由10～20层石墨平面组成;晶区取向度是影响碳纤维模量的主要因素,影响碳纤维强度的主要因素随石墨化程度的不同有所改变。     

连续玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、玻璃纤维的对比及其特性概述

连续玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、玻璃纤维等都属于高性能纤维。通过对连续玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、玻璃纤维的详细对比,列出了连续玄武岩纤维的主要优缺点,并得出连续玄武岩纤维是一种生产原料丰富、生产工艺简介、综合性能优异且性价比较高的新型高性能纤维的结论。     

碳纤维及其复合材料的发展与应用

1　概述碳纤维是先进复合材料中最重要的增强材料 ,由于具有高强度、高比模量、优异的热物理性能、化学稳定性、阻尼减震降噪性等优良性能。世界各国对发展碳纤维都给予高度重视。在过去 40年 ,碳纤维及其复合材料已广泛用于航天、航空、体育休闲和工业领域。聚丙烯腈基碳纤维是目前世界上三种主要高性能纤维之一 ,它是一种不同于一般纺织纤维的高性能材料。具有类石墨的化学结构 ,它的使用温度范围在 170℃ 2 0 0 0℃ ;碳纤维具有很高的抗拉强度 ,是钢的 2倍、铝的 6倍 ;碳纤维模量是钢的 7倍、铝的 8倍。它与树脂、橡胶、陶瓷、玻璃、金…     

张学军实现碳纤维的更强功能

张学军北京化工大学研究员,主要从事新型碳材料的研究,研究方向包括：高模量碳纤维及其复合材料、沥青基碳纤维及活性碳纤维、燃料电池扩散层用碳纤维纸、介孔碳、球状活性碳等功能碳材料。2004年入选北京市科技新星计划。     

沥青碳纤维导电行为及其应用

对通用型沥青基预氧化纤维在碳化过程中的电阻变化行为进行了测试。结果表明:碳化过程中纤维的电阻率可由10~(12)Ω-cm下降到10~(-1)Ω-cm,得到了纤维电阻率与碳化温度之间的定量关系;并通过纤维电阻率的变化与纤维元素分析结果之间的对应关系,表明纤维在碳化过程中发生结构转变。给出了利用碳纤维导电性的应用实例。     

江苏碳纤维产业发展之路探讨

江苏是我国碳纤维及其复合材料发展的重要基地,在过去的十余年取得了显著进展,已到了产业变革的节点。分析了碳纤维产业发展的国内外形势和江苏碳纤维产业现状和存在问题,解读了国家新材料发展战略"需求牵引、战略导向""创新驱动、重点突破""产用结合、军民融合""市场主导、政府推动"对江苏碳纤维发展之路的指导意义。     

Studies of world carbon fiber industry from a perspective of patent analysis

Patents are the manifestation of the industry R&D endeavor;therefore, World carbon fiber in-dustry from the perspective of patent analysis is studied .Findings from the analysis show a continual increase of carbon fibers patents since 1969 , and the growth rate began even faster after the year of 2005.Five countries (Japan, China, US, Germany and Korea) took dominant positions in global carbon fibers R&D , and the sum of patents applied in these five countries accounted for 80%of the total patents in the world .Corporations do play an active role in global carbon fibers R&D , and over 60%of patents were applied by corporations .Among them , the top 3 corporations were all from Ja-pan, which had much more patents than the other patent assignees .Furthermore, most corporations were not active in cooperation with others , except Toyota Motor Corp .Global carbon fibers R&D fo-cused on sheet manufacture cloth , core wire layer , heat connect provide and filter activated draw . And there is big difference between Japan and China in the R&D focus .China ’ s corporations have exhibited rapid growth in the number of patent applications in recent years , but there is still a large gap between China and foreign countries in view of global patent layout and influence .By providing the insight into the evolution of global carbon fibers industrial and technological development through the perspective of patent analysis , this study hopes to provide an objective statistic reference for fu-ture policy directions and academic researches .     

各向同性煤沥青制备炭/石墨纤维的研究

以各向同性煤沥青为原料,采用熔融纺丝工艺制备了直径为55μm的沥青纤维,经预氧化、炭化和石墨化处理后得到炭纤维和石墨纤维,并采用偏光显微镜、XRD和SEM等对其形貌、结构和性能进行表征。结果表明,炭/石墨纤维具有与沥青原料相似的各向同性光学结构;随热处理温度升高,炭/石墨纤维截面逐渐变粗糙,且内部石墨微晶逐步发育并长大,3 000℃下石墨化纤维微晶增大较明显,其堆积高度和平面尺寸分别约为5nm和11nm;1 600℃炭化纤维的力学性能较好,其拉伸强度和杨氏模量分别达到0.57GPa和32.19GPa,进一步提高热处理温度,纤维拉伸强度逐步降低,但是其杨氏模量逐渐增加,3 000℃石墨化纤维的拉伸强度和杨氏模量分别为0.26GPa和40.57GPa;炭/石墨纤维室温轴向电阻率随热处理温度的升高而降低,1 000℃炭化纤维室温轴向电阻率为47.78μΩ.m,3 000℃石墨化纤维室温轴向电阻率降至21.98μΩ.m。     

高导热碳/碳复合材料的制备

以中间相沥青和中间相沥青基碳纤维为原料, 采用碳布热压法、液相浸渍法制备了二维和三维高导热碳/碳复合材料, 且所制得复合材料的热导率分别高达443和340 W/(m·K). 依据碳/碳复合材料的热导率模型, 分析了不同结构特征参数对材料热导率的影响. 结果表明, 基体碳热导率、孔隙率以及界面相厚度均会在一定程度上影响材料的导热性能.     

炭化温度对中间相沥青基炭纤维性能的影响

对中间相沥青基炭纤维在炭化过程中结构与性能的变化规律进行了研究。结果表明,随着炭化温度的升高,炭纤维的拉伸强度和模量均呈上升趋势,炭纤维的d₀₀₂呈现下降趋势,而La和Lc呈现上升趋势。对炭纤维的电磁参数测试结果表明,炭化温度对炭纤维的介电常数有明显的影响,但对磁导率影响不大,不同炭化温度的中间相沥青基炭纤维的复介电常数实部随电磁场频率的降低而升高,其介电损耗也随着炭化温度的升高而呈现上升趋势。     

沥青基球状活性炭浸渍碳酸钠脱硫剂脱除H2S的性能与表征

将沥青基球状活性炭(PSAC)浸渍一定浓度的Na2CO3,制备了一种高性能脱硫剂(PSAC-I)。利用N2吸附、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、热重、元素分析等手段对脱硫前后的PSAC-I进行了表征,研究了PSAC-I的脱硫产物和失活原因,考察了温度和相对湿度对脱硫的影响。结果表明:PSAC-I的脱硫效果远好于普通煤质柱状活性炭和商用活性炭脱硫剂;PSAC-I的脱硫产物主要为单质硫和少量的硫酸,当PSAC-I的孔隙被脱硫产物充满或者孔口全部被堵塞后即失活;PSAC-I脱硫最佳温度为30℃,温度过高或者过低均不利于H2S的脱除;提高原料气相对湿度有利于提高硫容。     

碳/碳复合材料中不同微区的基体结构

为优化碳基体结构,提高碳/碳(C/C)复合材料综合性能,针对沥青基C/C复合材料中纤维束内及纤维束间不同碳基体结构微区,利用显微Raman光谱、原位纳米力学测试、Micro-CT、扫描电镜(SEM)和压汞仪对碳基体结构进行研究。结果表明:碳基体呈片层结构沿纤维、纤维束表面取向堆积排列,在纤维、纤维束表面区域及纤维束之间碳基体中存在一定孔隙、裂纹等缺陷;纤维间基体的石墨化程度是沿着纤维表面向中心区域逐步增强,靠近纤维表面区域基体的弹性模量高于纤维间区域的弹性模量。C/C复合材料中碳基体形成过程存在渐次性和差异性,从而影响C/C复合材料综合力学性能。