國產(chǎn)碳纖維編織工藝的探討

李陸

（北京首鋼建設(shè)集團第二冶金建設(shè)集團分公司，北京 100000）

1 國產(chǎn)碳纖維的特點

（1）強抗拉力特性。纖維的拉伸變形硬度大約為2～7GPa，拉伸模量大約為200～700GPa。密度約為1.5～2.0g/cm3，這除了和原絲結(jié)構(gòu)相關(guān)外，主要是確定于碳化處理后的溫度值。通常進行高溫的3000℃石墨化處理，密度可到達2.0g/cm3。并且由于它本身整體結(jié)構(gòu)比重很輕，它的總體重量比重比普通鋼鐵和鋁合金都要輕，不足為普通鋁合金和鋼鐵的1/4，比普通鋁合金的總硬度大，也差不多為普通鋼材和鐵的零倍。碳纖維的溫度熱脹和壓力膨脹時的阻力作用系數(shù)與其他金屬纖維不同，它們都是具有各向異性的特點。

（2）柔軟可加工性。纖維除自身具備了普通纖維材質(zhì)的特點外，碳纖維材質(zhì)編織布外形還具備明顯的各向異性柔軟，因此，可以通過加工編織成各類結(jié)構(gòu)化纖面料，并因為纖維比重較小，所以順著碳纖維織物材質(zhì)強度軸線的走向顯示出了極高的比抗拉硬度，而碳纖維材料增強聚砜樹脂物，其比抗拉強度、比模量綜合指數(shù)，在目前的全部結(jié)構(gòu)纖維材質(zhì)中，應(yīng)該是最強的。

（3）耐低溫特性。另外，該聚碳纖維還特別具有良好的導(dǎo)熱耐低溫老化性能，如在水或液氮較低溫度下也不容易脆化。

（4）容易氧化。纖維一般是含碳率超過90%的無機高分子纖維。其中，含碳率超過99%的稱多層石墨纖維?；钚院辖鹛祭w維的相對軸向蠕變強度和模量要求較高，無軸向蠕變和耐模型、抗疲勞老化性能較好，熱容量和整體導(dǎo)電老化性能都良好處于活性非金屬材料與其他金屬材料中間，高溫熱縮和膨脹處理系統(tǒng)參數(shù)值較小，抗腐蝕老化性能好，纖維的熱密度較低，對X射線穿透性好。但它在雜質(zhì)中的高耐壓和耐抗沖擊性能相對來說不好，易受到熱沖擊損壞，在強酸性和強堿作用下容易直接發(fā)生氧化，與其他金屬中的雜質(zhì)形成物后，會產(chǎn)生了金屬表層中的雜質(zhì)對炭氧化、滲碳和其他電物質(zhì)腐蝕等常見現(xiàn)象。所以，碳纖維金屬產(chǎn)品在首次開始批量投入使用前，就必須先對其本身表層進行一次表面拋光處理。

以上內(nèi)容是關(guān)于碳纖維材料最明顯的特點，也許這是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的一種特性，碳纖維涂層復(fù)合材料的表層抗拉力特別強，可以直接使其抗拉力延伸力達到很大的一定程度，這樣的程度顯然是其他的復(fù)合纖維材料所不能夠完全具備的，很多纖維材料在拉伸力達到一定程度的時候就可能會出現(xiàn)開裂，但是，使用碳纖維材料絕對不會輕易出現(xiàn)這樣的開裂情況，所以，給了碳纖維材料加工工藝的制作帶來了很多的方便快捷，碳纖維經(jīng)過復(fù)合材料不僅是它具有纖維的柔軟性等諸多特性，而且它的材料重量很輕，所以，很多先進的的碳纖維材料加工制造工藝以及產(chǎn)品都是采用碳纖維經(jīng)過復(fù)合材料加工工藝制成。

2 國產(chǎn)碳纖維織造的生產(chǎn)過程

（1）紡絲。采用聚丙烯腈以氨與水溶劑反應(yīng)制得15%的水性紡絲液，水溶劑一般主要為甲基硫氰酸鈉或者亞硝酸、二甲基亞砜等，經(jīng)過各種濕法快速紡絲或者快速干燥的噴濕式紡絲等濕法紡絲等該工藝既成即可濕法制得的布盤原絲。濕法加工制得的熱紡布將盤原絲于一條緯線上的紡織機中反復(fù)揉捻后紡織成布，在將其原料送入預(yù)氧化處理器后可再進行氧化和熱處理。

（2）預(yù)氧化產(chǎn)物整體消毒處理裝置整體處理。預(yù)氧化產(chǎn)物整體消毒處理過程主要可以分兩段持續(xù)進行，聚丙烯腈聚酯纖維在催化劑的光合作用下對其存在于200～220℃及對其利用高熱張力氧化狀態(tài)下，用高溫空氣對其進行張力氧化及熱處理10～30min，并在220～330℃及利用張力氧化狀態(tài)下對其繼續(xù)進行氧化及熱處理30～100min，使該處理纖維的外層顏色逐漸由紅轉(zhuǎn)白變黃，最后逐漸加深變成了淡銅色。由纖維處理產(chǎn)生的各種特殊有毒性廢氣由一次消毒炭化處理運送裝置直接通氣排出，處理后的橡膠纖維在運送一次炭化消毒處理器后再進行二次炭化消毒處理。

（3）炭化加熱處理。炭化加熱過程在含氮真流(或含氮真空)保護下進行，經(jīng)過一次低溫加熱炭酸碳化(300～1000℃)和二次高溫加熱炭化(1000～1800℃)轉(zhuǎn)化成一層具有一定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的彈性碳纖維。炭化過程中，石墨生成的硫氧化物分解廢氣和炭化過程中分解的廢氣，分別通過碳化數(shù)據(jù)處理器裝置排放、石墨碳化過程處理的石墨纖維素，被送到石墨化處理器后進行石墨處理。

（4）石墨化熱處理。石墨化熱處理時，可以用加熱碳管進行加熱生產(chǎn)。也或者可以采用電流直接通過石墨纖維。石墨化的過程，一般是在惰性氣體中(氬氣)環(huán)境的保護下持續(xù)進行的，在2000～3000℃的熱處理溫度下石墨化。

通過多層石墨化處理所得碳纖維材料，經(jīng)無損傷試驗后送聚砜樹脂處理浴用稀聚砜樹脂處理溶液浸潤，使實際應(yīng)用的碳纖維材料無縫連接，能夠更好地讓用戶使用及操作。經(jīng)過干燥處理的這種無色有緯布直接受熱進入含有一定溶劑的蒸餾水中或干燥器中后，需要使其中所有溶劑充分受熱蒸發(fā)，然后再經(jīng)常用無緯布的熱損傷檢驗工藝進行檢驗后，立即可以得到干燥成品中的碳纖維。

（5）表面處理及上漿。除作為前驅(qū)體的碳纖維外，表面涂層處理最大功能的是使一個生產(chǎn)供應(yīng)商的基體產(chǎn)品與一個競爭對手的基體產(chǎn)品價格區(qū)分開。增強基體纖維樹脂和活性碳纖維之間的增強黏合性對于生產(chǎn)增強纖維復(fù)合材料至關(guān)重要，而在大量制造活性碳纖維的生產(chǎn)過程中，表面涂層處理主要目的也就是為了增強這種物的黏合性。由于生產(chǎn)供應(yīng)商會不斷采用不同的涂層處理工藝方法，處理后的碳纖維表面活性也會增加，從而大大提高目前可以應(yīng)用于界面的碳纖維及其他基體樹脂黏結(jié)的纖維表面積，并需要添加一些反應(yīng)性強的物和基質(zhì)，如羧基等。

3 國產(chǎn)碳纖維織布的應(yīng)用問題及討論

3.1 我國碳纖維目前生產(chǎn)應(yīng)用狀況及主要問題

目前，碳纖維在我國主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：（1）用于民用航空、航天及其他相關(guān)國防工業(yè)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域、飛機主要機體和鋼結(jié)構(gòu)、新型金屬材料、衛(wèi)星、運載火箭、導(dǎo)彈、雷達等。（2）在體育休閑品領(lǐng)域，有高爾夫球隊、漁具、網(wǎng)球拍、箭桿、自行車、賽艇等。（3）加強工程建設(shè)。碳纖維基礎(chǔ)建筑加固用建筑塑料制品、加壓容器材料、建筑材料加固及深海氣象油田鉆井壓力平臺等。（4）汽車機械制造、風力風扇葉片、摩擦機械材料、汽車機械零部件。（5）醫(yī)用領(lǐng)域、人工韌帶、心臟瓣膜、生物修復(fù)用膜、炭吸附材料、碳纖維甲殼素人工膜、人工器官等。

3.2 存在問題

（1）目前，我國大部分企業(yè)生產(chǎn)能力低下且產(chǎn)品質(zhì)量具有不穩(wěn)定性，生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備使用不過關(guān)。（2）核心生產(chǎn)技術(shù)突破難度大。碳纖維材料技術(shù)雖然屬于高難度創(chuàng)新性的技術(shù)，在研究過程中關(guān)鍵技術(shù)上要想成功取得重大突破難度很大。（3）品種單一。我國工業(yè)通用材料碳纖維在工業(yè)應(yīng)用發(fā)展中，不管軍用還是民用，它只是工業(yè)通用的一種材料。（4）價格高，應(yīng)用范圍有限。碳纖維的材料生產(chǎn)產(chǎn)品價格水平高低無疑是目前禁止限制它廣泛得到推廣應(yīng)用的一個主要制約生產(chǎn)成本重要因素，降低禁止使用生產(chǎn)碳纖維材料生產(chǎn)產(chǎn)品價格的一個重要關(guān)鍵問題，這無疑是目前我國必須努力解決突破的一個關(guān)鍵問題。

4 結(jié)語

當前，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展的加快，對活性碳纖維材料的使用及需求逐漸增大，碳纖維及其金屬材料的研發(fā)生產(chǎn)應(yīng)用是直接影響國家防建設(shè)的高科技關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)國家“十二五計劃”，高性能碳纖維及應(yīng)用材料在“十二五”時期，中國高碳聚丙烯丙烯酸產(chǎn)品在碳纖維領(lǐng)域已進入產(chǎn)量世界前三強，并與世界高性能碳纖維及應(yīng)用材料等領(lǐng)域一起進入構(gòu)成數(shù)萬億韓元的世界戰(zhàn)略性新產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，完成了高新技術(shù)領(lǐng)域向中高端商品與服務(wù)市場的有效過渡，碳纖維在未來我國的發(fā)展前景甚是可觀。