沥青碳纤维的现状和将来

沥青碳纤维的现状和将来
1、综述
碳纤维自发明以来历经半个世纪，其作为高尔夫球杆、钓竿、自行车架等运动用品，工业用管道、液晶机器人手臂、汽车制造成形用横杆等产业机械部件、螺旋桨杆及刹车材等汽车部件、桥梁、建筑物修补、补强材、隔热材、燃气罐等工业部材，被广泛应用于各个领域。

碳纤维根据其出发原料的不同，可分为以聚丙烯腈为原料的PAN基纤维和以煤焦油、石油为原料的Pitch基纤维。

Pitch基纤维通过纺丝，根据沥青的结晶状态，分为中间相沥青和等方性沥青。

中间相沥青因构成分子的结晶状态进行配向，通过偏光显微镜进行观察，可显示出其具有光学异方性。

等方性沥青在构成分子上是随机配向、在光学上是等方性的。

1963年，当时的群马大学，发现了Pitch基碳纤维的制法。

1970年吴羽化学工业以等方性沥青为原料实行工业化，有效的利用了碳素的折叠特性和耐药品性，以该领域为中心进行用途拓展。

1969年左右，教授们通过具有光学异方性的中间相沥青进行纺丝，制造出了具有高模量的碳纤维。

1975年，美国UCC公司以石油沥青为出发原料，成功实现了连续纤维的pitch系碳纤维的工业化。

2、中间相沥青基碳纤维和等方性沥青基碳纤维
Pitch基碳纤维，通过精制煤焦油沥青和石油沥青，将改质、热处理得到的沥青进行纺丝、预氧化处理后，用特定的温度进行碳化、石墨化制造而来。

通过热处理等方性沥青，用偏光显微镜观察中间相沥青的变化过程。

可区别出用于纺丝的沥青的结晶状态不同。

等方性Pitch基碳纤维，它所谓的强度、模量等机械物性不如中间相pitch 基，“碳素”所具有的耐热性、耐氧化性、耐药品性、耐腐蚀性、耐磨损性、自由润滑性的等优点，在高性价比上实现了高机能纤维。

3、Pitch基碳纤维和PAN基碳纤维
3.1 Pitch基碳纤维的物性特征
Pitch基碳纤维和PAN基碳纤维代表的基本物性特征是拉伸强度、拉伸模量（弹性模量）、热传导率。

碳纤维的比重是1.7~2.2。

相对于PAN基碳纤维的“轻量、高强度”来说，高模量的Pitch基碳纤维具有“轻量、高刚性”的特征。

Pitch 系还具有高热传导率、极低热膨胀等特征。

3.2 物性特征的发现理由
Pitch系、PAN系的物性不同的原因是因为构成碳素纤维的“碳素”结晶的构造不同。

用扫描电镜（SEM）观察Pitch系碳纤维（DIALEAD K13C2U、模量900GPa）和PAN基碳纤维（东丽T700、模量230GPa）的结晶构造。

碳纤维的直径是7~10微米，约头发的1/10粗细。

对比了各种纤维的横断面照片后，可以清晰的看出Pitch基碳纤维的纤维横截面是褶皱型的板状结晶的集合体构成的，而PAN基碳纤维无法看出那种结晶构造。

另外，从对比纤维的横截面照片来看，Pitch基碳纤维沿着纤维的轴方向、结晶规则整齐的排列着。

从X射线的结果来看，该结晶在纤维轴方向上具有高度配向的石墨结晶。

4、利用Pitch基碳纤维的特征展开用途介绍
Pitch基碳纤维，是石墨结晶在纤维轴方向上正规排列的“石墨纤维”。

从这里开始利用它的优点对它的用途进行展开介绍。

4.1 轻量、高刚性
在Pitch基碳纤维的特征中，最主要的是它区别于其他材料，具有轻量、高刚性的特征。

可用在（1）机器人手臂；（2）汽车制造成形用横杆；(3)工业用管道；（4）螺旋桨轴；（5）铁构造体补强；（6）压力容器。

4.2 高热导率
沥青基碳纤维的高热导率特征，使得原本热导率很低的塑料能够与金属并列，变成具有能持续散热的材料。

4.3 零热膨胀
沥青基CFRP的热膨胀系数低于一般金属材料的2位数，几乎为0（-0.2~0.2*10-6/℃）。

因不存在热变形的问题，提高了机械性能。

（1）人工卫星
2006年向太阳上发射的太阳观测卫星“日出”，安装了3个高性能望远镜，支撑望远镜的镜头就用的是沥青基碳纤维做的CFRP管。

在靠近太阳侧和远离太阳侧的温差约有300℃的宇宙空间中，热膨胀系数为0的沥青基CFRP管材，以高性能、高精度对遥远的太阳活动进行了持续观测。

（2）大型电波望远镜
ALMA（在南美智利标高5000m的高原上设置了电波望远镜，探查深宇宙
的美、欧、日的国际共同项目）使用了直径12m、50台的大型电波望远镜，天线主构造材、客舱材等都使用的是沥青基碳纤维。

最大的在18.5km的范围配置了66台电波望远镜，同步实现了具有高刚性、将热变形控制在极限范围内的超高精度天线，实现了subaru望远镜和哈勃望远镜10倍的空间分解能力（视力）。

（3）产业机械类
最近，面向产业机械，以0膨胀为目的，沥青基CFRP被广泛采用。

要求有更高的位置精度的激光加工机械、高精度测定机器、罗盘等，各种各样的用途。

以前，由于需要控制温度，必要的水循环设备现在也被省略了，沥青基CFRP发挥了很大的作用。

5、今后的沥青基碳纤维，成为了解决环境、社会课题的素材
沥青基碳纤维充分发挥其特征，对我们的生活改善做出了贡献。

一方面，在我们的生活中，关系到环境保全的社会课题仍有悬念和争议，提倡SDGS和循环经济。

与沥青基碳纤维相并列，今后对于复合材料的展开，把这个提倡加入到计划中也是很重要的。

三菱化学的碳纤维从原料到产品增加了供应链，推进了碳纤维的再循环、更新循环。

6、结束语
具有轻量、高刚性、高导热率、0膨胀特征的沥青基碳纤维，将其特征进行活用到CFRP制品上，对它的特性进行了介绍，在今后被用于要求较高的热模仿系列，期待对沥青基碳纤维进行特有的展开。

同时，关系到社会解决课题，作为素材，其承担着重要作用。

希望在资源匮乏的日本，能够在世界中振翅担任沥青基碳纤维发展的责任，活用其他材料所没有的特征，开发并提供有助于可持续发展社会的碳纤维产品和复合材料产品。