研究院所、生产企业及应用单位详解高性能低成本碳纤维制备技术
摘要
本期沙龙聚焦于碳纤维的“低成本、稳定性制备”及“产业化应用”。北京化工大学的刘杰教授及其他专家就高性能低成本碳纤维的制备进展进行了深入讨论。提出了通过新技术理论体系、分子结构设计、大丝束碳纤维生产、快速预氧化技术、制造设备改进等方法降低碳纤维成本。北汽集团的尚红波高级工程师讨论了汽车轻量化技术及碳纤维复合材料在汽车行业的应用现状，强调了降低成本、快速成型技术和解决维修回收问题的必要性。刘杰教授在总结中指出，国内碳纤维行业需通过创新提高产业化应用，赶超国际先进水平。讨论后，与会人员参观了北京化工大学国家碳纤维工程技术研究中心，了解到国内在碳纤维制造方面取得的进展及面临的挑战。
正文
本期沙龙重点围绕碳纤维的“低成本、稳定性制备”及“产业化应用”两个关键词进行了讨论。北京化工大学碳纤维工程与技术研究室主任、SAMPE北京分会常务理事刘杰教授出席了本次活动，北京化工大学材料科学与工程学院王晓旭副教授、中科院宁波材料所陈友汜研究员、中复神鹰碳纤维有限公司杨瑞工程师、北汽集团新技术研究院轻量化技术部尚红波高级工程师、精功科技有限公司卫国军副总经理做了专题分享，碳纤制造企业、研究院所及高性能纤维应用单位近30名代表参加了沙龙讨论。
王晓旭副教授介绍了北京化工大学国家碳纤维工程技术中心在高性能低成本碳纤维制备的研究进展：
1、从构建新技术理论体系的角度讲解了通过辐照引发自由基聚合进行纺丝，跳过现有预氧化的工序采用微波快速碳化及等离子体表面处理完成高性能碳纤维快速、低成本制备的思路。
2、通过对现有的大丝束碳纤维原丝辐照30秒的方法，达到放热峰大幅提前且变平缓的目的，从而缩短预氧化的时间。
3、通过静电纺丝的方法得到纳米级碳纤维原丝，减小单根纤维缺陷的概率，进一步提升碳纤维的强度。
4、通过3D打印制造技术降低碳纤维加工制造成本。
5、通过纳米改性高性能纤维复合材料的方法提高碳纤维综合强度、模量和抗疲劳性能。
陈友汜研究员从分子结构设计的角度讲解了采用功能化引发剂调控端基结构改善自由基聚合竞聚率不同导致的PAN热性能差异：
1、可提高PAN均聚物环化程度，使聚合产物的热稳定化性能趋于一致。
2、采用适用的PAN分子量，有助于兼顾最终碳纤维性能和热稳定化行为一致性。
3、经过端基改性的PAN在快速预氧化时有望获得更加均匀的结构。
中复神鹰碳纤维有限公司杨瑞工程师介绍了中复神鹰公司目前碳纤维产能及产量情况：现拥有4条聚合线，6条原丝线及10条碳化线。现原丝产能13000吨/年，碳纤维产能6000吨/年，现有开通的生产线年产量在3000吨左右。指出目前PAN基原丝成本占碳纤维成本的70％左右，通过降低原丝制造成本可有效控制碳纤维制造成本。并介绍神鹰公司目前采取的降本措施：
1、通过生产大丝束碳纤维降低 制造成本，神鹰公司今年已完成24K碳纤维试制工作。
2、干喷湿纺原丝线速突破提升至400m/min，是湿纺的4倍以上（东丽的干喷湿纺线速达到了700m/min）。
3、采用快速预氧化技术，将预氧化时间缩短至34min。
精功科技有限公司卫国军副总经理从碳纤维制造设备角度介绍了低成本化的进展：
1、提高装备制造的国产化率，降低固定资产投入。
2、提高生产线走丝速度、延长单次生产运行周期。（设计生产线单次运行周期45天，走丝速度12-15m/min）
3、提高采用增加罗拉宽度、预热回收技术降低碳纤维生产单位能耗。
北汽集团新技术研究院轻量化技术部尚红波高级工程师介绍了汽车轻量化的技术发展背景以及碳纤维增强复合材料在汽车行业的应用现状。指出：
1、高昂的价格制约了碳纤维在汽车行业的发展，亟需开发低成本的碳纤维增强复合材料生产技术。
2、碳纤维复合材料需要开发快速成型的自动化制造技术以适应汽车行业的生产节拍。
3、需要解决碳纤维增强复合材料的维修及回收问题。
主题分享结束后与会人员就非PAN基原丝的制备、沥青基碳纤维的应用方向、碳纤维增强复合材料标准化产品制造等话题进行了热烈的讨论，刘杰教授在活动总结中指出：不同的产品有不同的性能要求及定位。碳纤维作为增强体材料应用在复合材料产品中要根据产品的行业特点和性能要求选用适合的材料，并通过优化设计、自动化加工制造进一步降低复材产品的制造成本。现代科学的发展很大程度上在于交叉学科的创新，过去四十年国内碳纤维行业一直处于跟踪国际先进技术的地位，随着科学技术的进步及创新，希望国内碳纤维行业有机会赶超国际先进水平。
讨论环节结束后与会人员并参观了北京化工大学国家碳纤维工程技术研究中心。通过本次沙龙的交流与分享了解到目前国内碳纤维制造技术从质量稳定性、纺丝线速及产能产量等方面与国际先进水平仍存在一定差距。随着国内对碳纤维基础研究和应用认识的逐步加深，国内碳纤维制造企业、碳纤维装备制造企业、研究单位已经意识到需要通过碳纤维低成本化提高碳纤维的产业化应用，并在碳纤维制备理论体系创新及生产制造方面有了一定的进展。碳纤维低成本是一个相对的概念，需要根据产品进行定位，结合结构设计、低成本制造技术将相应的材料应用在适合的产品上，达到适宜的性价比。
来源：SAMPE
