化工行业碳素材料碳纤维概念与分类详情

2016-11-04 01:32

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导读：化工行业碳素材料碳纤维概念与分类详情。碳纤维（carbon fiber）是一种丝状碳素材料，由有机纤维经碳化以及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，直径 5-10 微米，含碳量高达 90%以上，强度比钢铁高但密度比铝小，具有轻质、高强度、高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性，广泛应用于航空航天、国防、交通、能源、体育休闲等领域。

参考《2017-2022年中国碳纤维市场运行态势及十三五投资决策分析报告》

碳纤维（carbon fiber）是一种丝状碳素材料，由有机纤维经碳化以及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，直径 5-10 微米，含碳量高达 90%以上，强度比钢铁高但密度比铝小，具有轻质、高强度、高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性，广泛应用于航空航天、国防、交通、能源、体育休闲等领域。碳纤维“外柔内刚”，具有一般碳素材料的固有特性，但其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维方向有很高的强度，是新一代增强纤维。

表 1：碳纤维和其他材料性能对比

（一）碳纤维的物理特性简介

1、碳纤维的密度在(1.5~2.0) g/cm3 之间，除与原丝结构有关外，还取决于碳化处理温度，一般经高温石墨化（3000 ℃）处理，密度可达 2.0 g/cm3；

2、碳纤维热膨胀系数呈现各项异性的特点，与其他纤维不同：平行于纤维方向是负值(-0.72 ~ -0.90)*10-6 K-1，而垂直于纤维方向是正值(22 ~ 32)*10-6 K-1；

3、碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值，两者组合应用时会发生电化学腐蚀。

（二）碳纤维的分类

按照原料体系：碳纤维主要分为粘胶基、沥青基和聚丙烯腈（PAN）基三大种类，其中PAN 基碳纤维因其生产工艺简单、成本较低、力学性能优良等特点，已成为当今世界发展最快、产量最高、品种最多、应用最广的一种碳纤维，碳纤维市场占有率高达 90%以上。

粘胶基碳纤维的原材料是纤维素，经纺丝制备纤维素后进行预氧化处理和碳化处理形成粘胶基纤维。其制备工艺与 PAN 基碳纤维有所不同，在预氧化之前需要进行水洗和催化浸渍过程，而之后的预氧化过程是将有机纤维变为无机纤维的关键。由于生产粘胶基碳纤维的工艺流程较长，工艺条件苛刻，碳化吸收率低（理想值为 44.4%，但实际值仅有 10%-30%），成本高，不宜大规模生产，综合性能劣于 PAN 基纤维，随着 60 年代 PAN 基和沥青基碳纤维的出现而逐步萎缩，目前产量不足全球总产量的 1%。但其碱金属以及碱土金属离子含量低，在隔热、耐烧蚀等方面有着不可替代的用途，主要用于军事和航空航天领域，不会完全淘汰出局。

沥青基碳纤维原料一般为可纺沥青，主要是石油沥青和煤沥青，也可以由聚氯乙烯裂解得到。可纺沥青含碳量高达 80%以上，可以用来制备碳纤维，但其软化点低于 120 ℃，在生产碳纤维之前必须进行调制和改性预处理，制备软化点在 250 ℃ 以上的高软化点沥青。各向同性的沥青原料经过不同方法的预处理之后，可制备成通用性纺丝沥青和中间相沥青。通用级沥青呈各向同性的结构，生产成本低，所制备的碳纤维力学性能不高，一般用作民用和制备活性炭纤维。中间相沥青结构呈各向异性，用于制备高性能碳纤维。沥青基碳纤维原料来源丰富便宜、理论成本最低、碳吸收率高（80% ~ 90%），然而其强度较低、产品重复性差，实际高性能沥青基碳纤维成本反而高于 PAN 基碳纤维，应用领域受到一定的限制。其具有优良的传热、导电性能和极低的热膨胀系数能满足特种市场如宇航部的需要，同时显示有望降低价格形成大规模生产的可能。

PAN 基碳纤维原料为丙烯腈（AN），并通过聚合、纺丝、预氧化、碳化、石墨化等多个过程制备 PAN 基碳纤维，碳化吸收率较高（50% ~ 60%）。PAN 纤维是生产高性能碳纤维最有前途的前驱体，利用其制备的碳纤维综合性能最好、生产工艺成熟简单、应用最广、品种最多，是目前全球碳纤维市场的主流，产量占全球碳纤维总产量的 90%以上。

表 2：三大类碳纤维性能对比

根据碳纤维束单丝数量：碳纤维可以分为小丝束和大丝束两种。单丝数量在 24K 及以下的称为“宇航级”小丝束，如 1K、3K、6K、12K 和 24K，单丝数量在 48K 及以上的称为“工业级”大丝束，如 48K、60K、120K、360K 和 480K，其中 K 代表 1000 根单丝。小丝束工艺控制要求严格，生产成本较高，但丝束越小制造出来的产品越轻薄，性能越高，主要应用于航空航天、军工等高端领域，大丝束工艺要求相对不那么严格，生产成本较低，主要应用于汽车、风力发电等工业领域，未来其性能有望得到进一步地改善。