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    高性能纖維是指耐熱好、質(zhì)量輕、強度高、高模量的特種纖維材料。作為高性能纖維的一種，碳纖維既有碳材料的固有本征，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代軍民兩用新材料，已廣泛用于航空航天、交通、體育與休閑用品、醫(yī)療、機械、紡織等各領(lǐng)域。 
    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，２０世紀五六十年代是粘膠基碳纖維的鼎盛時期，雖然目前已開始衰退，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)合碳化物公司開始了高性能中間相瀝青基碳纖維Ｔｈｏｒｎｅｌ－Ｐ５５的研制，并取得成功。目前Ｔｈｏｒ-ｎｅｌ－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。 
    我國從２０世紀６０年代后期開始研制碳纖維，至今已有３０多年的歷史。１９７６年在中科院山西煤炭化學研究所建成我國第一條ＰＡＮ基碳纖維擴大試驗生產(chǎn)線，產(chǎn)品性能基本達到日本東麗公司的Ｔ２００，國內(nèi)也叫做高強Ｉ型碳纖維。我國從“六五”開始研制高強ＩＩ型碳纖維（相當于Ｔ３００），但歷經(jīng)２０年，產(chǎn)品性能指標仍未達到Ｔ３００標準，至今仍處于中試放大階段。專家認為，制約我國碳纖維發(fā)展的“瓶頸”是ＰＡＮ原絲質(zhì)量沒有真正過關(guān)。 
提高ＰＡＮ原絲質(zhì)量 
    ＰＡＮ原絲不僅影響碳纖維的質(zhì)量，而且影響其產(chǎn)量和生產(chǎn)成本。換言之，只有高質(zhì)量的原絲才能生產(chǎn)出高性能碳纖維，才能穩(wěn)定生產(chǎn)，提高產(chǎn)量，降低成本。對于現(xiàn)代碳纖維生產(chǎn)線，要求喂入絲束數(shù)在１００以上，且高速運行；如果原絲質(zhì)量低劣、彼此性能差異較大，易在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生毛絲纏結(jié)，甚至發(fā)生斷絲，很難穩(wěn)定生產(chǎn)，這樣必然加大原絲的損耗。對于質(zhì)量好的ＰＡＮ原絲，用２．２ｋｇ左右的原絲可生產(chǎn)出１ｋｇ碳纖維；而質(zhì)量差的原絲，則需２．５ｋｇ，甚至更高，這必然加大生產(chǎn)成本，而原絲成本占碳纖維生產(chǎn)成本的５０％～６５％。所以，ＰＡＮ原絲質(zhì)量不僅可左右碳纖維的性能，而且也制約著碳纖維的生產(chǎn)成本和市場競爭能力。 
擴大生產(chǎn)線規(guī)模 
    除ＰＡＮ原絲質(zhì)量外，擴大生產(chǎn)規(guī)模也是降低成本的有效途徑。國外一條碳纖維生產(chǎn)線的年生產(chǎn)能力在２００噸以上，而我國至今還沒有一條百噸級碳纖維生產(chǎn)線。這也是我國工程化開發(fā)的差距之一。為了降低生產(chǎn)成本，國外大絲束碳纖維（４８Ｋ～４８０Ｋ）發(fā)展很快，形成了與小絲束（１Ｋ～２４Ｋ）碳纖維競爭市場的格局。而國內(nèi)目前還沒有正式的大絲束ＰＡＮ原絲生產(chǎn)廠家，也就沒有大絲束碳纖維生產(chǎn)裝置與技術(shù)。 
    增強拉伸強度 
    碳纖維是由有機ＰＡＮ纖維經(jīng)過一系列熱處理轉(zhuǎn)化而來的。碳纖維屬于脆性材料，拉伸強度等性能受控于各類缺陷。因此，在一定意義上來講，提高碳纖維的拉伸強度等性能就是采取技術(shù)措施減少缺陷數(shù)目、減小缺陷尺寸的過程。從碳纖維的缺陷產(chǎn)生可大致分為兩類：一類是先天性缺陷，由ＰＡＮ原絲“遺傳”給碳纖維；第二類是后天性缺陷，在預氧化、碳化等一系列后處理過程中產(chǎn)生。從缺陷在碳纖維中所處的位置又可分為表面缺陷和內(nèi)部缺陷兩大類，而表面缺陷占缺陷總數(shù)的９０％左右，對拉伸強度的影響要比內(nèi)部缺陷大得多。所以，在生產(chǎn)碳纖維全過程中（從聚合開始到碳纖維收絲）都要關(guān)注缺陷的產(chǎn)生和演變以及控制缺陷的技術(shù)措施，其中包括油劑質(zhì)量和上油劑工藝。這也是提高碳纖維拉伸強度的主要途徑。碳纖維的理論強度為１８０ＧＰａ，目前世界上強度最高的碳纖維Ｔ１０００（日本東麗公司）的拉伸強度也僅是理論值的３．９％，而國產(chǎn)碳纖維的拉伸強度則更低，所以提高碳纖維的拉伸強度有很大的潛力和空間。 
    碳纖維發(fā)展趨勢 
    碳纖維是一門多學科交叉、多技術(shù)集成的系統(tǒng)工程，質(zhì)量的提升涉及到方方面面?？蓮囊韵聨讉€方面優(yōu)先考慮：研制高純度原絲，把先天性缺陷降低到最小程度。經(jīng)大量檢測表明，國產(chǎn)原絲和碳纖維所含堿、堿土金屬和鐵的含量比國外大得多。它們的存在不僅影響聚合和紡絲的穩(wěn)定性，而且在高溫碳化過程中逸走而殘留下孔隙，所以，聚合所用原料要純，紡絲空間應潔凈化，所用設(shè)備應耐腐蝕。 
    我國ＰＡＮ原絲強度（力）比較低，國外在６．０ｇ／ｄ以上。在一定范圍內(nèi)，碳纖維的拉伸強度隨著原絲強力的提高而提高，而提高原絲強力的技術(shù)措施之一是相應提高ＰＡＮ樹脂的分子量。 
    細旦化高強度碳纖維的發(fā)展趨勢之一是單絲直徑較細。直徑越細，包含大缺陷的幾率越少，尺寸效應十分顯著。納米碳纖維可望在性能上有大的突破。 
    均質(zhì)化主要是纖維橫截面由表及里結(jié)構(gòu)均勻，性能一致。這就要求ＰＡＮ原絲、預氧化纖維和碳纖維無明顯的皮芯結(jié)構(gòu)。纖維的皮芯結(jié)構(gòu)易在凝固成纖過程或預氧化熱處理過程產(chǎn)生，最佳工藝條件的選擇則十分重要。 
    細晶化對于脆性材料，缺陷大小與微晶尺寸視為同一數(shù)量級。細晶化有利于對缺陷的控制和碳纖維抗拉強度的提高，特別是壓縮強度的提高。細晶化應從聚合開始，貫穿于生產(chǎn)碳纖維的全過程。 
    隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內(nèi)碳纖維的需求與日俱增，而加強技術(shù)創(chuàng)新是我國碳纖維加快發(fā)展，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。