如今，在陶瓷、稀土、合金、有機(jī)硅等新型材料中，有這樣一種材料，小到球拍、釣魚竿等民用產(chǎn)品，大到飛機(jī)、衛(wèi)星和導(dǎo)彈等高精尖設(shè)備，都是它大展身手的領(lǐng)域。它就是被譽(yù)為“新材料之王”的碳纖維。
這是一種由有機(jī)纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成碳主鏈結(jié)構(gòu)且含碳量超過90%的高性能纖維材料，有著質(zhì)輕、耐腐蝕、低膨脹和抗疲勞等優(yōu)異性能，是新一代增強(qiáng)材料。不僅如此，碳纖維還具有優(yōu)良的機(jī)械性能，如高拉伸模量、低密度和耐高溫。然而，碳纖維通常無法直接使用，需要與基體相結(jié)合成為復(fù)合材料。
聚丙烯腈基碳纖維在工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)中占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，并根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，按照絲束大小又被分為大絲束碳纖維和小絲束碳纖維。通常將48K(每束含有48000根碳纖維)及以上的是大絲束碳纖維，主要用于汽車、風(fēng)電葉片、 能源建筑和體育用品等，也被稱為工業(yè)級碳纖維，主要有50、60、120、240、360K等；反之則成為小絲束碳纖維，也被叫做宇航級碳纖維，主要有1、3、12、24K等。
相較于小絲束碳纖維，大絲束碳纖維最大的優(yōu)勢就是低成本和生產(chǎn)效率高，可拓展碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用途徑，是目前碳纖維發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，被稱之為“黑黃金”。近年來，國產(chǎn)聚丙烯腈基碳纖維的制備和應(yīng)用技術(shù)取得了顯著的成績，進(jìn)一步增強(qiáng)了碳纖維產(chǎn)業(yè)的競爭力，大絲束碳纖維目前成為我國市場上各方關(guān)注的熱點(diǎn)。
然而，同樣相較于小絲束碳纖維，大絲束碳纖維的制備技術(shù)更難，比如凝固成型、牽伸、預(yù)氧化、碳化、上漿等的均勻性難度極大。并且毛絲問題也是國產(chǎn)碳纖維的主要問題之一，在大絲束碳纖維展紗過程中會出現(xiàn)毛絲甚至斷紗，十分影響預(yù)浸料的制備工藝性，導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能分散性較大，進(jìn)一步增加了大絲束碳纖維應(yīng)用難度。一直以來，碳纖維核心技術(shù)只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握。
日前，我國首個(gè)萬噸級48K大絲束碳纖維工程第一套國產(chǎn)線近日在中國石化上海石化碳纖維產(chǎn)業(yè)基地投料開車，并生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。該項(xiàng)目采用了中國石化自主開發(fā)的PAN (聚丙烯腈)基大絲束原絲、碳纖維技術(shù)，分兩個(gè)階段實(shí)施，計(jì)劃于2024年全部建成投產(chǎn)，屆時(shí)共達(dá)到2.4萬噸/年原絲、1.2萬噸/年大絲束碳纖維產(chǎn)能。
這是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度新型纖維材料，其力學(xué)性能優(yōu)異，比重不到鋼的四分之一，強(qiáng)度卻是鋼的7至9倍，并且還具有耐腐蝕的特性。除此之外，48K大絲束最大的優(yōu)勢是在相同的生產(chǎn)條件下，不僅可以大幅度提高碳纖維單線產(chǎn)能和質(zhì)量性能，還可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)低成本化，從而打破碳纖維高昂價(jià)格帶來的應(yīng)用局限。
上海石化從裝備到工藝，為大絲束量身定制了專用生產(chǎn)線。如根據(jù)大絲束的要求自行設(shè)計(jì)氧化爐、碳化爐，不僅成功掌握了控制溫度場的關(guān)鍵核心技術(shù)，還配置了節(jié)能型設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)能源綜合利用，這在國內(nèi)外裝備領(lǐng)域也是絕無僅有。針對大絲束特點(diǎn)自行設(shè)計(jì)制造國產(chǎn)化生產(chǎn)線，中國石化樹立了我國碳纖維建設(shè)史上的里程碑。
在接下來的碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，他們還將繼續(xù)在科研方面加大投入，產(chǎn)業(yè)方面加快布局，機(jī)制體制方面深化創(chuàng)新，應(yīng)用場景全面推廣，以期在多種工藝流程實(shí)現(xiàn)通用級、大絲束、小絲束、高性能等產(chǎn)品方面全面突破，致力于產(chǎn)品質(zhì)量的提升、高效化生產(chǎn)、節(jié)能化和低成本化等方面的研究，助力我國大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展，為引領(lǐng)和推動我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
(資料參考來源：科技日報(bào))
原標(biāo)題：“黑黃金”來了！國產(chǎn)自研大絲束碳纖維投產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自主可控
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