低成本碳纤维的研究进展与应用.docxVIP

摘要

碳纤维具有优异的力学性能，因此碳纤维及其复合材料在越来越多的行业中得到应用。然而，受限于碳纤维较高的制造成本，限制了碳纤维在风电、汽车、建筑增强材料等领域的规模化应用。近年来，世界多国对低成本碳纤维的研究付出了很多努力。碳纤维原丝制造成本是影响碳纤维制造成本的主要因素，这是目前低成本碳纤维的主要研究方向。综述了采用降低碳纤维原丝制造成本，进而降低碳纤维制造成本相关技术的研究进展，并对低成本碳纤维的应用领域现状进行了总结。

近年来，碳纤维及其复合材料受到很多关注，在越来越多的行业中得到应用。然而，受限于碳纤维较高的制造成本，以及复合材料复杂的制造工艺，限制了碳纤维的大批量规模化应用。

自20世纪末开始，欧盟、美国能源部等针对相关领域的需求，组织了多所研究机构、大学和陶氏化学等系统地研究了碳纤维价格对用途的影响，最终得出结论，要扩大碳纤维在风电叶片、新能源汽车车体和建筑增强材料领域的应用，必须将其价格降低到71.5元/kg。2023年以来，随着国产碳纤维产能的提升，国内碳纤维价格下降了约30%，但是中小丝束碳纤维的价格依然高达160元/kg以上，远超碳纤维规模化应用所能承受的成本。开发生产成本80元/kg左右的低成本碳纤维生产技术，成为目前全球碳纤维研究领域的热点。碳纤维原丝成本在总成本中的占比高达45%~51%，降低碳纤维原丝的生产成本成为“重中之重”?。归纳起来，目前采用的主要技术途径如下。

(1)降低聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝制造成本。采用纺织用PAN纤维替代原丝生产低成本碳纤维。纺织用PAN纤维的产量数十倍于PAN基碳纤维原丝，且价格不到PAN基碳纤维原丝的1/2，有望将碳纤维的成本降低35%左右。

(2)选用新型的碳纤维原丝基材。采用包括以聚乙烯(PE)、沥青和木质素等，可熔融加工的低价格高聚物材料制备原丝。其中PE价格低、来源广泛，其得碳率达到75%~80%，是最有希望制造低成本碳纤维的原丝基材，有望将碳纤维的价格降至70元/kg以下。

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低成本碳纤维的研究进展

1.1?纺织品级PAN基碳纤维

纺织品级PAN纤维是由85%以上的丙烯腈(AN)与其他第二、第三单体共聚，纺丝制备得到合成纤维。纺织级PAN纤维的产量大，生产成本低，大丝束制备工艺成熟?。

目前纺织品级PAN纤维成本仅为2~3美元/kg，而碳纤维前驱体PAN原丝价格为7~8美元/kg。与碳纤维的专用原丝相比，纺织级PAN原丝的制造成本可以下降65%左右，相同条件下，可以将PAN基碳纤维的生产总成本降低35%左右?。

纺织品级PAN纤维与传统PAN基碳纤维原丝由于共聚单体结构存在差异，如果直接以纺织品级PAN纤维为原料制备碳纤维，在传统预氧化过程中会导致纤维熔融，这是该技术目前存在的主要技术壁垒?。

以纺织品级PAN纤维为原料，通过优化改进工艺，制备出性能良好的碳纤维。其采用的纺织品级PAN纤维是由乙酸乙烯酯和丙烯腈按照15∶85的质量比共聚纺丝制备。经过特殊热氧化处理工艺，在氮气气氛保护的碳化装置中，1200℃条件下碳化处理，升温速率5℃/min，制得的碳纤维拉伸强度为2.4GPa、拉伸弹性模量为195GPa。

Zoltek公司采用纺织级PAN原丝制备的低成本碳纤维，已商业化生产供给市场，性能指标列于表1。

SGL公司利用纺织级PAN原丝制备的低成本碳纤维，拉伸弹性模量可达241～262GPa，拉伸强度可达4480～4830MPa，该碳纤维成本为22～26.4美元/kg，可满足航天领域应用。

1.2?通用级沥青基碳纤维

沥青基碳纤维是以煤沥青、石油沥青等为原料，经调制、纺丝、预氧化、碳化和石墨化等工艺，制备得到的碳纤维?。根据力学性能差异，可分为高性能沥青基碳纤维和通用级沥青基碳纤维，前者由各向异性结构的沥青制得，拉伸强度可达3.8GPa，拉伸弹性模量可达900GPa以上。后者由各向同性沥青制成，拉伸强度一般低于1.0GPa，拉伸弹性模量一般为40GPa左右，主要用在性能要求不高的碳纤维复合材料上?。

对于各向异性沥青基前驱体，首先要求对前驱体进行纯化处理，之后再进行高温石墨化处理，导致高性能沥青基碳纤维生产成本很高。而对于各向同性沥青基前躯体，具有原料廉价、工艺简单、得碳率高、无须石墨化等特点，生产成本较低。因此，各向同性沥青基碳纤维，可作为低成本高性能碳纤维的研究途径之一。

20世纪60年代，日本的Kureha公司首次实现了沥青基碳纤维的产业化；1978年，中国科学院山西煤化研究所开始进行通用级沥青基碳纤维生产技术研发，于1985年通过了实验室鉴定验收；1985年，中国石油化工科学研究院开始研究石油沥青的纺丝技术，并在中试装置上成功制备出了纺丝沥青，其性能与国外通用级碳纤维的质量指标接近。

进入21世纪，我国一些企业相继攻克沥