全球及中國PAN-基碳纖維技術發(fā)展階段及工藝進展分析

全球及中國PAN-基碳纖維技術發(fā)展階段及工藝進展分析

——全球PAN基碳纖維技術發(fā)展全球PAN基碳纖維的技術發(fā)展過程大致可以歸納為四個階段：第一階段，20世紀60年代突破了PAN基碳纖維的連續(xù)制備技術路線，為碳纖維從實驗室走向工業(yè)化奠定了技術基礎；第二階段，20世紀70年代實現了強度為3.0GPa左右的基本型碳纖維工業(yè)化規(guī)模生產，推動了碳纖維在國防和工業(yè)領域的實用化；第三階段，20世紀80年代，拉伸強度為4.9GPa的高強型碳纖維以及高強中模碳纖維制備技術取得突破，并在民航領域得到規(guī)?；瘧?；第四階段，在20世紀90年代以超高壓氣瓶應用為主的需求牽引下，高強中模型碳纖維實現規(guī)模化生產，多種高強高模型碳纖維研發(fā)成功。東麗公司生產的PAN基碳纖維無論質量還是產量都居世界前列，代表當今世界最高水平。日本東麗公司碳纖維發(fā)展歷史關鍵事件資料來源：公開資料縱觀全球，自2013年開始，為了提高競爭力以及滿足更高性能復合材料對碳纖維的要求，各公司相繼推出更高強度的碳纖維，美國HEXCEL的IM10、東麗的T1100、三菱的MR70、東邦的XMS32，都是拉伸強度約7GPa、模量約320GPa的超高強度碳纖維。同時，為適應不斷擴展的復合材料應用需求，針對應用細分市場，不斷開發(fā)差別化產品以降低成本提高競爭力，如東麗的T720、T830等型號以及2017年推出的Z600型號；干濕法紡絲技術與大絲束技術也越來越受到重視，其中50K級別的大絲束高強連續(xù)碳纖維產品已實現工業(yè)應用。——我國PAN基碳纖維技術發(fā)展我國PAN基碳纖維研制始于20世紀60年代中期，經歷了長期低水平徘徊、技術轉型和快速發(fā)展三個階段：20世紀90年代中國運行著3條PAN原絲技術路線：蘭州化纖廠的硫氰酸鈉一步法、吉林石化的硝酸（HNO3）一步法和陜西榆次化纖廠的二甲基亞砜（DMSO）一步法，但由于原絲核心技術沒有掌握，DMSO法和硫氰酸鈉法原絲技術未能實現碳纖維的連續(xù)穩(wěn)定制備，碳纖維的性能水平偏低、質量一致性不高，硝酸法原絲技術成為那個時期軍用國產碳纖維的指定技術。2000年DMSO原絲工藝實現自主創(chuàng)新，2002年第一條DMSO原絲工程化線建成，國產PAN基碳纖維技術成功實現了轉型升級，國家科技部設立了“863”計劃，重點支持國產PAN基碳纖維的工程化研究。DMSO和HNO3兩種原絲制備的碳纖維性能比較資料來源：公開資料DMSO法和HNO3法PAN原絲經過碳化處理后，DMSO法原絲制得碳纖維在抗拉強度與斷后延伸率方面指標明顯好于HNO3法原絲制得的碳纖維?？估瓘姸仍酱?，材料在拉力作用下抵抗破壞的能力越大；斷后延伸率主要表征發(fā)生永久變形而不至于斷裂的性能，越大表示纖維柔軟可加工性越好。2005年國家試點推行碳纖維制備與應用的“一條龍”管理模式，將需求牽引和服務應用的理念融入到碳纖維制備過程，在中國航天科技集團公司703研究所和中國航空工業(yè)集團公司沈陽飛機設計研究所（601所）專家團隊的強有力推進下，國產碳纖維制備與應用技術高效快速發(fā)展，解決了國防重大裝備用國產碳纖維材料的“有無”問題，初步實現了關鍵材料的自主保障。目前，我國逐步形成了以二甲基亞砜原絲技術為主體、二甲基乙酰胺和硫氰酸鈉原絲技術并存的國產高性能碳纖維原絲制備技術體系，突破了過去30多年來