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首先,谈一谈碳纤维的制作流程。从原料端来说,目前市面上大多碳纤维都以丙烯腈通过聚合工艺得到的聚丙烯腈为前体,再经过纺丝后形成原丝,后于空气中在200-300℃情况下形成预氧丝,经过在惰性气体700-1800℃下碳化,并经过表面处理和上浆得到碳纤维和石墨纤维。
目前,最常用的碳纤维纺丝工艺为湿法纺丝,可以分为湿喷湿纺和干喷湿纺两种,两者的主要区别在于喷丝板是否与凝固浴直接接触,纺丝原液是否经过空气段进入凝固浴凝固。前者需要直接接触且不需要通过空气段,后者相反。
干喷湿纺较湿喷湿纺,纺丝过程中的牵伸倍率提升明显,整体纺丝速度得到大幅提升,同时更加调控纤维的结构形成过程以及其物理机械性能;兼具高性能和低成本优点。国内生产的T300碳纤维就可以选择湿喷湿法的方式;但制备T700、T800这样强度的碳纤维则需要采用干喷湿法纺丝的方式。
对于预氧化工序,一般来讲,预氧化炉制造商需要使用多种气流设计来帮助散热和控制温度来避免PAN纤维放热失控。氧化后的PAN纤维包含约50%至65%的碳分子。
碳化反应是在专门设计炭化炉内进行,并且需要惰性(无氧)气氛保护。碳纤维与高模碳纤维(又称“石墨纤维”)都是经过碳化处理产生,二者的含碳量均超过90%,区别在于前者是在约1315°C/2400°F下碳化的纤维,其碳含量为93%至95%,而后者在1900-2480°C(3450-4500°F)时被石墨化,碳元素含量超过99%。
表面处理可以增强碳纤维之间的粘合性,而上浆梳理则可以减少起毛,提高可加工性并增加纤维与基体树脂之间的界面剪切强度。
先前说过碳纤维主要在“军工”“氢能”“风电”“光伏”中得到应用。具体来讲:
受益于比强度、比模量高,不生锈,碳纤维复合材料可以作为基础材料用于飞机、导弹、运载火箭、人造卫星等。据统计,碳纤维复合材料在大型客机应用上占15%~50%,军用飞机上占30%~40%,小型商务飞机和直升飞机上的使用量已达到70%~80%。
碳纤维与风电的结合主要体现在碳纤维增强复合材料在大型风电叶片中能够发挥出高弹轻质的优势。目前风电叶片逐渐往轻便化,大型化发展,因此碳纤维的风电需求有所增加。
目前碳纤维在光伏上的应用热点主要是作为热场材料的应用:碳碳复材是极佳的热场材料。碳/碳复合材料是以碳纤维为增强相的碳基复合材料,是目前极少数可以在2000℃以上保持较高力学性能的材料,它具有低比重、高比强、高比模、低热膨胀系数、耐热冲击以及耐烧蚀等优异性能,是新材料领域重点研究和开发的一类战略性高技术材料。除此之外,单纯的碳纤维复合材料可以在光伏一些关键性零部件或相关设备上得以应用,比如碳纤维复合材料制作硅片支架、碳纤维刮胶片等。
碳纤维在氢能上的应用比较多的是作为储气瓶原料。目前70MPa碳纤维缠绕Ⅳ型瓶已是国外燃料电池乘用车车载储氢的主流技术,而我国料电池商用车的车载储氢方式主要是35MPa碳纤维缠绕Ⅲ型瓶目,虽然70MPa碳纤维缠绕Ⅲ型瓶已有少量应用,但技术水平有限,有较强的发展空间。