浅谈目前碳纤维产业的发展趋势
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关键词：碳纤维产业；发展；趋势
碳纤维材料目前主要应用在飞机、导弹、宇宙飞行器、卫星、钓鱼竿、高尔夫球棒、人造假肢、光学仪器及汽车等行业，随着碳纤维材料性能的提高和稳定，应用越来越广泛。这种材料密度小、强度高、耐腐蚀，耐热。材料的优异力学性能和物理特性引起了各国家的高度重视，从而得到了快速发展。我国碳纤维产业起步较晚，与发达国家存在一定差距，我国相关科研部门和企业单位正投入巨大精力和经费进行研发，借以突破发达国家对这种材料造成的垄断，为我国民用、工业发展和国防武器研发奠定基础。
目前常用的碳纤维有聚丙烯腈基碳纤维、石墨碳纤维、沥青基碳纤维等。其中聚丙烯腈基碳纤维应用最为广泛。碳纤维产业是一个集中多种学科、多种技术于一体的高科技产业，产品科技价值高，技术瓶颈大、经济附加值高，制作工艺复杂，任何一个环节出现问题都影响最终的碳纤维成品质量。聚丙烯腈基碳纤维简称PAN，由日本人进藤昭男发明。本文将以聚丙烯腈基碳纤维设备为例阐述本行业的发展趋势，主要阐述世界上相关领域的发展现状，主要企事业单位发展状况，产品特点，碳纤维设备主要组成，各组成设备的主要技术特点及未来碳纤维行业发展趋势。
碳纤维行业国内外现状：美国主要有阿莫科公司和卓尔泰克公司。产能占世界第二位，技术较成熟。日本主要有东丽公司、三菱人造丝公司和东邦公司，日本是碳纤维产业的发源地，技术成熟，PAN基碳纤维产量在全世界遥遥领先，几乎达到垄断地位。民用和工业用途广泛，同时大量出口国外，新产品新技术不断出现。德国主要是西格里集团，西格里集团简称SGL，在产品的多样性和生产链的完整性方面优势明显，也是在德国本土为数不多的在碳纤维行业发展较好的公司。台湾主要是台塑集团，台塑集团相关技术引自美国，吸收消化和改进，学习进步的很快，目前产量达到世界第四位，但产品的技术水准和性能指标提高不大。我国的碳纤维产业一直处于其它国家的技术垄断当中，发展缓慢，严重依赖进口。这些年由于战略角度的考虑，国家把碳纤维产业列入863计划，国内从事相关研究的有中钢集团的吉林碳纤维材料厂、博云新材、中国科学院山西煤炭研究所、山东大学，黑龙江黑龙伟业碳纤维设备等公司，在国家政策的鼓励下，还有很多公司陆续成立，从事相关行业的配套生产。但国内主要还是以中试线调试为主，没有形成规模化生产，在世界上生产份额也少之又少。博云新材和中钢吉碳都是上市公司，资金实力雄厚，研发进展较快。国防科工委每年采购的碳纤维产品主要就来自中钢吉碳的全资子公司神州碳纤维公司，国内的中复神鹰集团目前已经批量投产，主要产品集中在T-300，其它产品处于不断的研发试验中。整体上看，我国在此行业起步较晚，但发展迅速，在技术公关、批量生产和人才储备上还需要很长的路要走，加上其它国家公司的价格打压，发展上困难重重。
碳纤维产品生产工序集合了众多学科，首先需要合格高质量的原丝，聚丙烯腈基的原丝生产要丙烯腈通过一系列化学反应和化学键的变化，要获得高质量的碳纤维原丝至关重要，原丝制成后还需要水洗、烘干、预氧化、低碳炉、高碳炉、挂浆、烘干、清洗、干燥、收丝等工序，制作成的碳纤维还需要进一步加工成其它如人造假肢的产品，其中的每一步都很关键，由于其生产链的复杂，本文仅就其中几个关键设备及关键点进行阐述。
预氧炉：PAN原丝预氧化时发生一系列化学反应，反应的具体情况还有待进一步研究，目前所知的是主要有热裂解反应和大分子链的重新组合。从加热方式上区分目前主要有外热循环式预氧化炉和内热式预氧化炉。预氧化炉对炉温的均匀性要求很高，预氧化过程中会产生气体和焦油，所以预氧化炉需要及时排出废气，预氧化的温度分梯度设置，每个加热区都要安装热电偶单独加热和控温。PAN原丝的预氧化的时间需要1小时到两小时，如果热空气循环利用，那么对热空气就要进行过滤处理，借以去除焦油、粉尘和毛丝。热风风向与原丝走向可以选择平行和垂直两种，要考虑热对流交换的效果和对原丝的影响来布置。同时预热炉内的焦油需要及时排出，在结构上应加以考虑。加热元件的安装和维护也要考虑方便，原丝在预氧化过程中颜色会逐渐变深，通过观察原丝表面的颜色可以大致判断预氧化的效果。
炭化炉：炭化炉主要有低温炭化炉和高温炭化炉，炭化炉的温度也分梯度设置，炭化过程中要避免空气的进入，碳化设备对密封性有很高的要求，尤其是炉头要设计合理，目前多采用非接触式迷宫密封，密封气体采用氮气，氮气的含氧量要复合要求。高温炭化炉工作温度较高，对加热元件和设备的保温性能要求更高，加热元件可以选用各向同性高纯石墨。加热元件两端接低电压，通过大电流流经高纯石墨发热加热，然后通过辐射形式将热量传递出去。炭化炉的废气处理要合理，避免造成空气污染，目前较好的方法是采用燃烧法。炭化炉的炉内压力要时时控制，加热元件的结构要合理，尽可能便于安装和维护。
牵伸装置：在碳纤维生产线中牵伸装置应用广泛，牵伸装置一方面可以改变原丝的输送方向，另一方面可以通过主动辊的线速度差改变牵引力，拉力的改变对碳纤维丝的相关性能有很大影响。牵伸辊的表面不能过于粗糙，以免使纤维丝产生毛刺，也不能过于光滑，要保证具有一定的摩擦力，同时要消除碳纤维和辊的接触过程中发生的静电。整个牵伸装置制作要位置准确，技术上复合运动要求。
如下图是国内黑龙伟业碳纤维设备公司生产调试的碳纤维生产线。图中可以看出各装置的布置，通过牵伸机、预氧化炉、低碳炉、高碳炉、清洗机、挂浆机、干燥装置等构成整条碳化线。
碳纤维产业对于我国意义重大，在军用及航天领域打破发达国家的技术垄断。虽然国内很多企事业单位已经开始这方面的人力和资金的投入，但近年来几乎全部碳纤维企业都处于亏损状态，国外通过降价来打压国内相关产业的发展，造成不小的压力，技术屏蔽依然存在。但我相信，我国科研工作者和企事业单位的相关人员只要锲而不舍努力下去，一定能克服这些苦难，最终完全掌握碳纤维生产技术，达到国内自主研发。为我国的经济建设和国防力量添砖加瓦。
作者简介：马庭柱（1981-），男，哈尔滨工业大学材料工程专业硕士，黑龙江省金属学会成员，机械工程师，从事工作的研究方向为各种工业炉、碳纤维设备、工业清洗机及粮食烘干机的设计及研发。