聚丙烯腈与碳纤维
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
班级：1013241 姓名：董鸿文
学号：101324108
材料化学课程论文
碳纤维复合材料
碳纤维是一种以聚丙烯腈（PAN）、沥青、粘胶纤维等 人造纤维戒合成纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化等过 程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料。
1 2
3
沥青基
粘胶基
聚丙烯腈基（PAN）
PAN链的无规则螺旋结构
PAN纤维→预氧化→碳化→石墨化→PAN基碳纤维
PAN碳纤维原丝微观图
【1】PAN碳纤维原丝截面图
【2】PAN纤维截面SEM照
【3】PAN碳纤维表面结构
PAN碳纤维复合材料的应用
1.航空航天：航天飞机、运载 火箭、导弹卫星、民用商业飞 机
2.体育休闲：球杆球拍、箭弓、 鱼竿、自行车
参考文献
[1]徐樑华：高性能PNA基碳纤维国产化进展及发展趋势[J].中国材料进展， 2012，31（10）：7-13 [2]陈利，孙颖，马明：高性能纤维域成形体的研究[J].中国材料进展，2012， 31（10）:21-29 [3]韩克清，严斌，余木火：碳纤维及其复合材料高效低成本制备技术进展[J].中 国材料进展，2012，31（10）:30-35 [4]郭敏怡:我国高性能碳纤维产业发展现状不展望[M].军民两用技术不产品， 2012,2:53-58 [5]郑宁来:中国航天公司研制成功碳纤维新产品[J].合成纤维，2011,40 （7）:14-15 [6]贺福:研制高性能碳纤维已是当务之急[J].高科技纤维不应用，2010,35（1）： 14-18 [7]钱伯章:国内外碳纤维应用领域、市场需求以及碳纤维产能的进展[J].高科技 纤维不应用，2010,35（2）:29-33 [8]赵稼祥:世界PAN基碳纤维的生产不需求以及对发展我国碳纤维的启示[J].新 材料产业，2010,9:25-31
聚丙烯腈基碳纤维简介及其发展概况
聚丙烯腈基碳纤维简介及其发展概况摘要：聚丙烯腈基碳纤维为人造合成纤维，是一种力学性能优异的新材料，在航空航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域得到广泛的应用。
生产碳纤维采用特殊组分且性能优异的专用PAN基纤维即ＰＡＮ原丝。
本文简要介绍国内外PAN基碳纤维的发展概况和现状，ＰＡＮ基碳纤维的应用，重点介绍了PAN基碳纤维的结构、性能、纺丝、制备等技术，以及分析我国碳纤维与世界先进国家之间的差距及存在的问题且提出一些建设性意见。
关键词：聚丙烯腈基碳纤维纺丝国内外发展比较差距碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90％以上，成为最主要的品种。
碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90％的特种纤维。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。
PAN基生产工艺简单，产品综合性能好，因而发展很快，产量占到９０％以上，成为最主要的的品种。
一、碳纤维及其发展史1.1碳纤维的先驱——斯旺和爱迪生碳纤维的起源可追溯到１９世纪６０年代，１８６０年，英国人约瑟夫·斯旺用碳丝制作灯泡的灯丝早于美国人爱迪生。
十九世纪后期他俩各自设计出了白炽灯泡．他是研制碳丝的第一人，同时他的利用挤压纤维素成纤技术为后来合成纤维的问世起到了启迪作用。
爱迪生解决了碳丝应用与白炽灯的灯丝问题，他发明的电灯，这也是碳丝第一次得到了实际应用。
１９１０年库里奇发明了拉制钨丝取代了碳丝作为灯丝，从此碳丝的研制工作停止了下来。
指导了２０世纪５０年代碳丝的研制又重新出现在现在的材料科学的舞台上，但研究的目的是为了解决战略武器的耐高温和耐烧耐腐蚀材料，今天的碳纤维已经形成了一个举足轻重的新型材料体系，已广泛应用于航空、军事和民用工业领域，而且仍在强劲发展．1.2碳纤维的三大原料路线黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维，其中以聚丙烯腈基碳纤维应用最为广泛，也是本文将要为大家介绍的。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
针对PAN基碳纤维复合材料生产过程中存在的能耗高、污染重等问题 ，研究者们不断改进生产工艺，提高生产效率和环保性。
未来发展趋势预测与挑战分析
高性能化
未来PAN基碳纤维复合材料将继续向高性能化方向发展， 以满足高端应用领域对材料性能的更高要求。
绿色环保
随着环保意识的提高，PAN基碳纤维复合材料的绿色生产 将成为未来发展的重要趋势，包括采用环保原料、优化生 产工艺等。
耐疲劳性
碳纤维复合材料具有良好 的耐疲劳性能，能够承受 长期的交变载荷作用。
热稳定性及耐候性评估
热稳定性
PAN基碳纤维在高温下能 够保持较好的稳定性，不 易发生热分解或氧化反应 。
耐候性
碳纤维复合材料具有良好 的耐候性能，能够抵抗紫 外线、酸雨等自然环境的 侵蚀。
耐腐蚀性
由于碳纤维的化学稳定性 较高，因此它对于多种化 学物质都具有良好的耐腐 蚀性。
汽车工业领域应用
轻量化
碳纤维复合材料具有密度小、比 强度高、比模量高等优点，是实 现汽车轻量化的理想材料，可用
于车身、底盘等结构件。
安全性
碳纤维复合材料在碰撞时能够吸收 大量能量，提高汽车的安全性。
舒适性
碳纤维复合材料具有良好的阻尼性 能，能够降低汽车行驶过程中的振 动和噪音，提高乘坐舒适性。
体育器材领域应用
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料的制备工艺主要包括原丝 制备、预氧化、碳化、石墨化 等步骤，通过控制工艺参数可 以得到不同性能的复合材料。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合 材料在航空航天、汽车、体育 器材、建筑等领域具有广泛的 应用前景，如飞机结构件、汽 车轻量化部件、高性能运动器 材等。
02
CATALOGUE
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料及其在大飞机上的应用
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维复合材料及其在大飞机上的应用徐志鹏北京化工研究院摘要自2007年国务院公布国产大飞机战略以来，这一领域的发展获得了持续的关注。
然而当今的国际大飞机市场被波音和空客两大公司所垄断，国产大飞机想要赢得市场面临多方面的挑战，其中之一就是高性能复合材料的应用。
聚丙烯腈基碳纤维复合材料诞生五十多年以来，发展迅猛，已经从传统的航空航天领域逐渐向汽车、风电等领域拓展市场，未来市场潜力巨大。
而目前中国仅能生产相当于T300,T700性能的碳纤维，不仅无法满足国产大飞机的材料需求，而且该领域的技术短板也限制了很多行业的发展。
本文在综合了前人研究成果的基础上，介绍了碳纤维的发展历程，PAN基碳纤维的关键技术和碳纤维复合材料在商用大飞机上的应用情况。
笔者认为，有市场竞争力的国产大飞机必须大量使用高质量的碳纤维复合材料，而突破PAN基碳纤维复合材料技术壁垒的关键在于生产高质量的碳原丝，其技术突破点在于干喷湿纺和凝胶纺丝生产技术的掌握与改进。
关键字：PAN基碳纤维，大飞机，碳原丝，干喷湿纺, 凝胶纺丝ABSTRACTLarge Plane Project has been fascinating Chinese public for years since its first announcement by State Council in 2007. China-made large plane is now facing varieties of challenge, while Boeing and Airbus are on the monopoly of market, one of the main challenge is the application of carbon fiber composite material. PAN based carbon fiber composite has witnessed a boost since it’s born in the past 50years, and now is expanding its application from space project to automobile and wind power generation projects. Carbon fiber industry in China cannot satisfy the demand of large plane project and many other industrial demands, because we can only made carbon fiber as well as T300 and T700 by our self. This article introduced the history of carbon fiber, key technology of PAN based carbon fiber and how PAN based carbon fiber is used in commercial large aircrafts. The author of this article believes the China-made large plane must use plenty of carbon fiber based composite to win the market and the key technology we need to break through is dry-wet spinning and gel spinning technique to make high performance PAN-based carbon fiber precursor.Key words: PAN based carbon fiber, large plane, carbon fiber precursor前言国产大飞机战略自发布以来，引发了广泛的关注。
聚丙烯腈和碳纤维(29页)
碳化
(3) CO和C02的释放: 未被结合到梯形结构中的含氧基团被热解。
(4) HCN的释放: 小的芳构化片之间缩聚的副产物。
HC
I ◦
HZ H? H2 CN
N夕cI C HcH’
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碳化
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碳化
(5) N2的释放: HCN的释放影响收率，900-1 300ftC是脱氮高峰。
-CHa-CH* + R-SH CN
-CHz-CHa- + RS . CN
碳纤维的结构
碳原子结构最规 整排列的物质是 金刚石, 碳纤维 结构近乎石墨结 构, 比金刚石结 构规整性稍差
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碳纤维的分类
最早问世 ,宇航咳 — 性材料
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石墨化
石墨化是固相碳化反应的继续，碳纤维中以氮为主的非碳元素几乎全 部溢 走，得到含碳量接近100%的石墨纤维。2200X: 时基本完成。
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聚丙烯腈的合成
JI发: 别发釗及热分解，卢生初级t由裏。分解反应 連卒 敕仗，可技喇整个反应連卒。初级负由暮与单体 加成， 打开神类羊体的，形成n，生成羊体令由基＞ 并玫热。 C1本水商公句采用偶氬二异丁漪(AIBN)做J|发利，二 甲 泉正风CDMSOJ做泳利，换作安全，户品质黃 本。
CHa
偶合终止 -CHi-CH* + 'CH-CH?- -- CHa-CH- CH-CH2-
聚丙烯腈基碳纤维性质及其性能方面研究
聚丙烯腈基碳纤维性质及其性能方面研究王立楠100201班摘要:汇述了碳纤维应用领域、世界碳纤维市场、世界碳纤维制造、聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产商与制造工艺以及中国碳纤维发展现状与趋势，尤其近年来在大飞机重大专项的牵引下，我国各地争上千吨级碳纤维项目，而形成“碳纤维热”。
同时，为缩小与国外先进水平的较大差距，提出“突破PAN原丝关键技术瓶颈，避免重复引进和重复研究，加快提升自主创新能力”3项发展建议。
关键词:碳纤维；应用领域；市场需求；产能；生产Study on polyacrylonitrile based carbon fiber properties and performanceLi’nan Wang class:100201Abstract: The carbon fiber application fields, world’s market, capacities of foreign producers and their extending plan, production technologies and the development situation & trend of carbon fiber in China are illustrated, especiallyin the drawing of China’s big airplane important project, several 1 000 t/a carbon fiber programs were constructed all over the country, forming “overheat”in carbon fiber in recent years. In the same time, three suggestions are put forward in order to shorten the distances with foreign companies, they are “making a breakthrough at the bottleneck of PAN precursor key technologies, avoiding the repeated imports of foreign equipment and re -searches, accelerating and raising the ability of innovation ”.Key words: carbon fiber; application territory; market demand; production capacity; advance1、聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的用途PAN碳纤维是军事工业用量大、使用面广、地位极为重要的关键性高性能纤维材料，是各类军用高强、高模、高强高模型复合材料的原料及技术基础。
聚丙烯腈基碳纤维及其应用
PAN基碳纤维及其应用（南通大学纺082 0815012038 朱琴）摘要：聚丙烯腈基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，在航空、航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域得到广泛的应用。
本文简要介绍了PAN基碳纤维的结构、性能、制备、碳纤维的应用领域以及面临的挑战，并对未来发展提出了一些建议。
关键词：PAN基碳纤维、结构、性能、制备、应用、挑战碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得，其中的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维用途最广、用量最大、发展最为迅速，在碳纤维生产中占有绝对优势。
目前世界主要PAN基碳纤维生产厂家的总生产能力已达到3．65万t的规模，仅次于劳纶，跃居世界高性能纤维的第2位。
碳纤维足军民两用新材料，是我国目前乃至今后相当长一段时间内鼓励优先发展的高科技纤维之一，也是国家迫切需要短期内突破的高新技术纤维品种。
随着近年来我国对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料产业研发的热点。
一、PAN基碳纤维的结构聚丙烯腈基碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维，主要做复合材料的增强体。
碳纤维是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成的所谓“乱层”结构，通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、大小和分布对碳纤维的性能影响较大。
碳纤维各层面间的间距约为 3.39～3.42Å，各平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一起。
二、PAN基碳纤维的性能碳纤维有通用型（GP）、高强型（HT）、高模型（HM）、高强高模（HP）等多种规格。
见表1表1 碳纤维的规格与性能规格高强型HT 高模型HM 通用型GP 高强高模型HP 直径/μm 7 5~8 9~182.5~4.5 2.0~2.8 0.78~1.03.0~3.5强度/（×103Mpa）2.0~2.43.5~7.0 3.8~4.0 4.0~8.0模量/（×103Gpa）伸长/% 1.3~1.8 0.4~0.8 2.1~2.5 0.4~0.5比重/（g/cm3） 1.78~1.96 1.40~2.00 1.76~1.82 1.9~2.1碳纤维有如下的优良特性：①比重轻、密度小；②超高强力与模量；③纤维细而柔软；④耐磨、耐疲劳、减震吸能等物理机械性能优异；⑤耐酸、碱和盐腐蚀，可形成多孔、表面活性、吸附性强的活性炭纤维；⑥热膨胀系数小，导热率高，不出现蓄能和过热；高温下尺寸稳定性好，不燃，热分解温度800℃，极限氧指数55；⑦导电性、X射线透过性及电磁波遮蔽性良好；⑧具有润滑性，不沾润在熔融金属中，可使其复合材料磨损率降低；⑨生物相容性好，生理适应性强。
聚丙烯腈论文：碳纤维用聚丙烯腈溶液共聚合反应研究
聚丙烯腈论文：碳纤维用聚丙烯腈溶液共聚合反应研究【中文摘要】碳纤维自上世纪六十年代开始发展以来,以其比重小、强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀等一系列优良特性,成为未来最具发展前景的材料之一。
制备碳纤维的前驱体有很多,其中聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的产量占到了90%以上。
聚丙烯腈基碳纤维的生产可分为两步：聚丙烯腈纺丝原液的制备和原丝的预氧化与炭化。
其中的聚丙烯腈往往是丙烯腈和少量其它单体的共聚物,共聚物的合成是制备碳纤维的第一步,也是最为关键的环节,其性能直接影响到碳纤维的性能。
本论文采用高浓度的丙烯腈(AN)和少量衣康酸(IA)混合物为共聚单体,低浓度的偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,在溶剂二甲基亚砜(DMSO)中,进行丙烯腈溶液共聚合,制备高分子量的聚丙烯腈。
通过测定不同温度、引发剂浓度、共聚单体含量、总单含量下,经过不同反应时间条件所得到的AN-IA共聚物的转化率,探讨了上述因素对聚合反应速率的影响。
以DMF为溶剂,在30℃条件下,用乌氏粘度计测量各个反应条件下所得共聚物的分子量,探讨聚合条件对分子量的影响。
经过上述实验,得到了转化率30%以下,粘均分子量在30-100万的AN-IA共聚物。
发现不同的条件下,聚合过程中聚合液及共聚物的形态差别较大。
经过定量测定,绘制了各个条件下反应的转化率-时间关系曲线。
发现反应速率和分子量均随总单浓度的增大而增大,却均随衣康酸含量的增大而减小。
温度、引发剂含量的增大均使反应速率显著增大,却使分子量减小,而反应时间的增大虽使转化率增大,但对分子量却基本没有影响。
以衣康酸单正丁酯(MI)为共聚单体,中等浓度的偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,在二甲基亚砜(DMSO)中,进行AN-MI溶液共聚合。
初步探讨了IA的加入对共聚反应的影响,并得到一组转化率-时间关系图。
在各个不同温度下,改变AN/MI配比,得到转化率为10%以下的AN-MI共聚物。
采用元素分析方法,得到共聚物中两种单体单元的组成。
聚丙烯腈碳纤维的基本工艺流程
聚丙烯腈碳纤维的基本工艺流程英文回答：Basic Process Flow for Polyacrylonitrile (PAN) Carbon Fiber Production.1. Precursor Spinning:The first step involves spinning a solution of PAN (polyacrylonitrile) polymer into fibers.This is done through a process called wet spinning, where the PAN solution is extruded through spinnerets into a coagulation bath to form solid fibers.2. Stabilization:The spun PAN fibers are heated in an oxidizing atmosphere (air or oxygen) at temperatures ranging from 200°C to 300°C.This process stabilizes the fibers and makes them infusible and insoluble.3. Carbonization:The stabilized fibers are pyrolyzed in an inert atmosphere (nitrogen or argon) at temperatures between 900°C and 1500°C.During carbonization, the organic components of the PAN fibers are removed, leaving behind a carbon skeleton.4. Graphitization (Optional):For high-performance applications, the carbon fibers may undergo an additional step called graphitization.This involves heating the fibers to even higher temperatures (above 2000°C) in an inert atmosphere to increase their crystallinity and thermal stability.5. Surface Treatment (Optional):Depending on the desired properties, the carbon fibers may undergo surface treatments such as oxidation or coating.These treatments enhance fiber-matrix adhesion, improve wettability, and protect the fibers from degradation.6. Fiber Sizing:Sizing agents, typically epoxy or phenolic resins, are applied to the carbon fibers to improve their handling and processability.This enhances their strength and reduces fiber breakage during weaving or knitting.中文回答：聚丙烯腈碳纤维的基本工艺流程。
碳纤维生产原材料
碳纤维的生产原材料主要是聚丙烯腈（PAN）、石油沥青、粘胶纤维等有机高分子材料。
这些原材料在生产过程中经过特定的化学处理和物理加工，最终转化为碳纤维。
下面详细介绍这些原材料：
1. 聚丙烯腈（PAN）：是目前应用最广泛的碳纤维原丝材料。
它具有良好的成膜性和纺丝性能，能够制得高质量的原丝。
PAN基碳纤维具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性和较低的成本。
2. 石油沥青：作为一种廉价的原料，沥青基碳纤维具有良好的热稳定性和成本效益。
但是，与PAN基碳纤维相比，其力学性能和化学稳定性相对较低。
3. 粘胶纤维：粘胶纤维也可以作为碳纤维的原材料，但它的应用相对较少，主要原因是其力学性能和耐化学性不如PAN。
在碳纤维的生产过程中，这些原材料首先经过制备成原丝，然后通过碳化、石墨化等工艺转化为碳纤维。
其中，碳化是将原丝在高温下进行氧化和碳化处理，去除原丝中的非碳元素，使其转化为碳元素。
石墨化则是在更高温度下，使碳纤维中的碳原子平面排列有序，从而提高碳纤维的力学性能。
碳纤维作为一种高性能的新材料，广泛应用于航空航天、体育用品、汽车、风电等领域，其优良的性能和逐渐降低的成本使得碳纤维在未来的应用前景十分广阔。
聚丙烯腈基(PAN)碳纤维复合材料
聚丙烯腈基（PAN）碳纤维复合材料2010136103徐铭华摘要:对PAN基碳纤维的发展历程、现状以及以其为增强体的复合材料进行了综述，并对PAN基碳纤维增强复合材料在航天领域的主要使用情况进行了介绍，最后对我国高性能碳纤维复合材料的现状及发展重点进行了探讨。
关键词:PAN基碳纤维;复合材料;航天领域;使用Abstract:In this article, the development of PAN-based carbon fiber, its character and composites reinforced by it is overviewed. The main application of carbon fiber reinforced composites on aerospace is also introduced here .Finally, the status and future development of PAN-based carbon fiber is discussed.Key words: PAN-based carbon fiber; composites; aerospace; application1.前言随着科技的发展和进步以及各国对空间光学遥感器的进一步需求，空间遥感器必然向高分辨率、长焦距、大口径、大视场、大体积而质量更轻的方向发展[1]，然而，发展质量更轻的空间光学遥感器，必须采用性能优异的轻质结构材料，碳纤维复合材料(CFRP)的使用是实现这一要求的最好途径之一。
CFRP是以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料[2]碳纤维具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加土性，是新一代军民两用的增强纤维。
它优异的综合性能是任何单一材料无法和其比拟的，现在己经成为先进复合材料的主要增强纤维之一。
CFRP是20世纪60年代中期崛起的一种新型结构材料，一经问世就显示了强大的生命力[3,4]。
聚丙烯腈基碳纤维的制备-碳化
聚丙烯腈基碳纤维的制备5.1聚丙烯腈纤维碳化碳化是聚丙烯腈纤维由有机高分子向无机碳结构转变的一个重要的工艺过程。
聚丙烯腈纤维的碳化一般由低温碳化和高温碳化两个工艺阶段组成，其中低温碳化的温度通常为300-1000℃，高温碳化的温度通常为1000-1600℃。
碳化是在高纯惰性气体保护下对PAN预氧化纤维作进一步高温处理的过程，在这个过程中，PAN预氧化纤维中直链状分子和预氧化所形成的环状分子进一步交联、环化及缩聚，使形成的环化和芳香结构向二维芳香层状结构转变，N、H、O等含量逐渐减少，C含量增加，最终C含量达90%以上。
PAN纤维在预氧化过程形成的梯形结构经过低温和高温碳化后逐步转变为折叠的乱层石墨结构，同时纤维直径变细，密度提高，强度和模量大幅度提高。
最终碳纤维的性能与碳化工艺密切相关，其中最高处理温度对纤维强度模量等性能影响最大。
5.1.1 碳化工艺聚丙烯腈原丝经过预氧化后形成具有耐热梯形结构的不溶不熔的预氧化纤维，随后进入以高纯惰性气体（通常为氮气）保护的低温碳化和高温碳化炉中进行碳化处理。
在碳化阶段，影响最终碳纤维性能的主要工艺因素包括温度、时间和张力。
另外，由于在碳化阶段纤维碳含量由预氧化纤维的63%左右提高到90%以上，纤维发生大量的裂解反应，裂解废气的排放也对碳纤维的性能产生很大影响。
聚丙烯腈纤维的碳化一般由低温碳化和高温碳化两个部分组成，其中低温碳化温度一般为300-1000℃，高温碳化为1000-1600℃。
低温碳化一般在由3-6个逐渐升高的温度区间的低温碳化炉中进行，第一段起始温度一般为300-350℃，然后以100-200℃温度间隔逐渐提高到700-900℃。
低温碳化温度很少超过1000℃。
高温碳化则是在低温碳化之后进行，一般是在一个与低温碳化炉独立的高温碳化炉中进行，高温碳化炉由1-5个温区组成，通常中段温度最高，两端温度相对较低，起到维持中段高温的作用。
对于生产制备通用型碳纤维，最高碳化温度一般在1200-1400℃。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产工艺
纺丝过程中的影响因素包括纺丝液性质、喷丝头结构、拉伸条件、固化条件等。这些因素会影响原丝 的形态结构、取向度、结晶度等，进而决定碳纤维的力学性能、热稳定性等。因此，在纺丝过程中需 要对这些因素进行严格控制和优化。
预氧化与碳化工艺
04
预氧化过程及机理探讨
预氧化过程
将聚丙烯腈(PAN)纤维在空气或氧气 中进行低温热处理，使其部分氧化， 形成稳定的梯形结构。
机理探讨
预氧化过程中，PAN纤维中的氰基(-CN) 逐渐转化为羧基(-COOH)和酰胺基(CONH2)，同时伴随着分子链的交联和 环化反应，从而形成耐热的梯形结构。
碳化过程及温度控制策略
碳化过程
在惰性气氛（如氮气）中，将预氧化 后的纤维进行高温处理，使其进一步 碳化，形成碳纤维。
温度控制策略
碳化过程中需要精确控制温度，通常 采用多段升温的方式，以确保纤维在 碳化过程中的结构稳定性和性能均匀 性。
设备选型与生产线布
05
局设计
关键设备选型依据及参数设置
聚合釜
选择高效、节能、操作简便的聚 合釜，其容量和搅拌速度等参数 需根据生产规模和产品性能要求
确定。
纺丝机
选用具有高速、稳定、连续化生产 能力的纺丝机，纺丝速度、温度、 压力等参数对纤维性能有重要影响， 需精确控制。
氧化碳化炉
选择能够实现高温、高压、气氛控 制精确的氧化碳化炉，炉内温度、 气氛组成和压力等参数是影响碳纤 维性能的关键因素。
原因分析与追溯
针对不合格品进行原因分析，追溯问题根源，为后续改进措施提供依 据。
纠正与预防措施
根据原因分析结果，制定相应的纠正和预防措施，防止类似问题再次 发生。
持续改进与提升
聚丙烯腈基碳纤维增强热塑性复合材料成型工艺及应用
聚丙烯腈基碳纤维增强热塑性复合材料成型工艺及应用张超，黄勇（中国石化上海石油化工股份有限公司先进材料创新研究院，上海200540）摘 要：聚丙烯腈基碳纤维增强热塑性复合材料（PAN-CFRTP）因其优异的耐高温性能、刚韧平衡性能等特性，在汽车、医疗器械、航空航天、化工机械等领域被广泛使用。
主要介绍了上浆剂法、液相氧化法、等离子体法三碳纤维界面改性方法以及拉挤成型、缠绕成型、真空辅助成型三种CFRTP成型工艺。
最后通过介绍碳纤维增强尼龙（CF/PA）、碳纤维增强聚苯硫醚（CF/PPS）、碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）三种复合材料的性能特点，说明CFRTP在市场中的巨大应用需求潜力，尤其在航空航天等高端领域。
关键词：聚丙烯腈；碳纤维；热塑性复合材料；界面改性；成型工艺中图分类号：TB 322 文献标识码：A 文章编号：2095-817X（2021）01-0059-005聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）的制备分为聚丙烯腈原丝液的制备以及碳纤维的制备。
首先，聚合反应单体丙烯腈与加入的少量第二单体（如丙烯酸甲酯）和第三单体（如亚甲基丁二酸），以偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂，以二甲基亚砜（DMSO）或硫氰酸钠（NaSCN）为溶剂，通过共聚反应生成聚丙烯腈原丝液。
接下来，聚丙烯腈原丝液经过纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、石墨化等工艺过程，得到含碳量大于90%的无机碳材料，即PAN-CF[1]。
PAN-CF的碳化收率能达到45%，高于其他几种原料（沥青、粘胶、酚醛等）制备的碳纤维。
PAN-CF成为如今生产应用研究最为广泛的碳纤维，得益于其生产工艺流程易控，成本较低。
碳纤维由于其独特的乱层石墨结构，高强高模，且耐高温、耐腐蚀。
一般来说，碳纤维主要是通过与热塑性、热固性树脂复合，通过一定的成型工艺制备得到复合材料，才能发挥其优异的综合性能。
热塑性树脂包括聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等。
pan基碳纤维原丝
pan基碳纤维原丝
聚丙烯腈基碳纤维原丝是以聚丙烯腈为原料，经过原丝制备、预氧化和碳化等步骤制成的纤维，用作碳纤维前驱体，其性能直接影响着碳纤维的性能。
其制备方法主要有一步法和二步法。
聚丙烯腈基碳纤维原丝具有强度高、模量高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高低温、密度小、导电等一系列优点，被广泛应用于航空航天、交通运输、基础设施建设、运动器材等领域。
不同种类的碳纤维性能存在差异，聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备工艺和技术也在不断发展和改进。
如果你想了解更多关于聚丙烯腈基碳纤维原丝的信息，可以继续向我提问。
聚丙烯腈碳纤维
未来，聚丙烯腈碳纤维在新能源、智能制造等领域的应用将得到进一 步拓展，为新兴产业的发展提供有力支持。
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聚丙烯腈碳纤维对酸、碱等化学物质具有较 强的耐腐蚀性。
抗氧化性
在高温和有氧环境中，聚丙烯腈碳纤维不易 被氧化。
良好的耐溶剂性
对各种有机溶剂，聚丙烯腈碳纤维表现出较 好的稳定性。
耐辐照稳定性
在强辐照环境下，聚丙烯腈碳纤维的性能不 易发生变化，具有较好的稳定性。
04 聚丙烯腈碳纤维的应用实 例
航空航天领域
05 聚丙烯腈碳纤维的未来发 展与挑战
新材料开发与性能提升
研发高强度、高模量、轻量化的聚丙烯腈碳纤维
通过材料改性、纳米复合等技术手段，提高聚丙烯腈碳纤维的力学性能和热稳定性，以满 足高端领域对高性能纤维的需求。
探索新型聚丙烯腈碳纤维的制备方法
研究新的合成路径和反应条件，降低生产成本，提高产量和纯度，实现大规模生产。
表面打磨
对碳纤维表面进行打磨处理，去 除表面的毛刺和不平整部分，提
高碳纤维与基体的结合强度。
03 聚丙烯腈碳纤维的性能特 点
力学性能
高强度
聚丙烯腈碳纤维具有极高的拉 伸强度，远超过其他纤维材料
。
高弹性模量
其弹性模量高，能够承受较大 的压力而不发生形变。
耐磨性
聚丙烯腈碳纤维具有较好的耐 磨性，能在复杂环境中保持其 性能。
在汽车领域，聚丙烯腈 碳纤维因其高强度和轻 质特性，被用于制造汽 车零部件，如车架、悬 挂系统等，提高了汽车 的燃油经济性和动力性 能。
在体育器材领域，聚丙 烯腈碳纤维因其轻质和 高强度特性，被广泛应 用于制造高尔夫球杆、 钓鱼竿、自行车车架等 运动器材，提高了运动 性能和安全性。
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预氧化
1.共聚单体引发环化： （1）酸性共聚体引发环化。羧基亲核攻击氰基碳引发，以阴离 子进行，传质速度较缓和。
亚胺结构的传递是环化序列长度增加的主要因素，生成的亚 胺结构以氨分子形式脱除，标志着环化反应终止。
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预氧化
（2）酯类乙烯共聚单体引发的环化反应：酯基电负性对氰基碳进行亲核攻击。
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聚丙烯腈的合成
• 引发：引发剂吸热分解,产生初级自由基。分解反应
速率较慢,可控制整个反应速率。初级自由基与单体 加成,打开烯类单体的n键,形成Π键,生成单体自由基 并放热。 • 日本东丽公司采用偶氮二异丁腈(AIBN)做引发剂,二 甲基亚砜（DMSO）做溶剂，操作安全，产品质量 高。
聚丙烯腈的合成
• 增长:链引发反应形成的单体自由基,打开第二个单
体分子的Π键,成为新的自由基,此传递过程其活性 并不衰减,继续与其它单体加成,形成越来越长的链 自由基。
聚丙烯腈的合成
• 终止:增长的自由基彼此反应,失去活性生成稳定的
高分子化合物的过程。存在链自由基和初级自由基 之间的单基终止(比例极低不讨论)和两个链自由基 之间的双基终止,后者包括独电子相互结合生成共价 键的偶合终止和一个原子发生转移的歧化终止。
230
294 392 588
1.5
2.2 0.7 0.7
碳纤维的性质
• • • • • • • •
高比强度、高比模量 耐高温，使用温度2000℃ 3000 ℃非氧化气氛中不融不软 耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀 热膨胀系数小，约等于零 热导率高，约为10-140W/(m 。K) 摩擦系数小,有自润滑作用。 导电性好，102-104/欧姆－厘米
（3）酰胺基引发的环化：丙烯酰胺（AAm）常用作共聚单体。
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预氧化
2.氧化反应： 首先进行氧化脱水，在Β-碳原子上引入羟基并形成共轭体系。
氧的作用下，Β-碳原子被氧化为酮基，并引发氰基环化为共轭结构。
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碳化
碳化：在300℃～1500℃的惰性气氛中进行，碳纤维 生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等非碳元素，改 变了原PAN纤维的结构，形成了碳纤维。碳化收率40％ ~45％，含碳量95%左右。 低温碳化阶段（300~800℃），碳-碳单键断裂，形成 较大的共轭体系，芳环数目增加。 高温碳化阶段（1000~1500℃），主要发生缩聚反应 ，释放氰和氮气等。
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石墨化
石墨化是固相碳化反应的继续，碳纤维中以氮为主的非碳元素几乎全 部溢走，得到含碳量接近100％的石墨纤维。2200℃时基本完成。
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纤维，其中碳含量高于99％的称为石墨纤 维。
碳纤维的结构
碳原子结构最规 整排列的物质是 金刚石，碳纤维 结构近乎石墨结 构，比金刚石结 构规整性稍差
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碳纤维的分类
粘胶基碳 纤维 （Rayon 基CF） 最早问世 ，宇航唯 一性材料
沥青基碳 纤维 （Pitch 基CF） 得率最高 ，最经济 的品种
聚丙烯 腈基碳 纤维 （PAN基 CF）
性能最 全面， 应用最 广泛
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碳纤维的分类
通用级(GP) 高性能级(HP) 高强
指 标
T-300 高模 M40
MPa 抗拉模量
T-1000
抗拉强度
高强高模
M60J
％
型 号
GPa 断裂伸长率
T-300
T-1000 M40 M60J
3,530
6,370 2,740 3,920
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聚丙烯腈的性质
聚丙烯腈外观为白色或略带黄色的不透明粉末 相对密度1.12，玻璃化温度约90℃ 软化温度和分解温度很接近，加热至200℃以上也不 熔化，而是逐渐着色，以至碳化。 聚丙烯腈纤维（俗称腈纶）的强度并不高，耐磨性和 抗疲劳性也较差。 聚丙烯腈纤维的优点是耐候性聚丙烯腈纤维和耐日晒 性好，在室外放置18个月后还能保持原有强度的77%。 聚丙烯腈纤维的性能极似羊毛,有人造羊毛之称。具 有柔软、膨松、易染、色泽鲜艳、耐光、抗菌、，根据 不怕虫蛀等不同优点.
聚丙烯腈的合成
• 转移:链自由基从其他分子(单体、溶剂、引发剂、
大分子等)上转移获得一个原子,使链自由基本身停 止增长。这个分子失去原子后成为新的自由基,但如 果其活性明显低于链自由基,也不能继续引发聚合, 而只能与其它自由基双基终止,起到阻止聚合、终止 链式反应的作用。
什么是碳纤维
• 碳纤维是含碳量在90％以上的无机高分子
碳纤维的应用
航天、航空、 汽车、 电 子、 机械、化工、轻纺 等民用工业&运动器材和 休闲用品
Diagram 2
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碳纤维生产流程
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预氧化
预氧化：200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下 进行。预氧化过程中发生的反应以环化、氧化和脱氢为主。
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预氧化
PAN原丝热氧化稳定化中各反应顺序
聚丙烯腈&碳纤维
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内容
1 2 3 4
聚丙烯腈（ＰＡＮ）简介 聚丙烯腈的合成 碳纤维简介 碳纤维的制造
聚丙烯腈
概念
聚丙烯腈是由丙烯 腈单体经自由基聚 合反应得到的聚合 物。主要用于制聚 丙烯腈纤维（腈纶 ）。
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聚丙烯腈纤维
聚丙烯腈纤维
Байду номын сангаас
“人造羊毛”
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碳化
（1）氨的释放：端基亚氨基脱除和失活的结果，芳构化反应停止。
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碳化
（2）H2O的脱除：含氧基团缩聚。
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碳化
（3）CO和CO2的释放：未被结合到梯形结构中的含氧基团被热解。
（4）HCN的释放：小的芳构化片之间缩聚的副产物。
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碳化
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碳化
（5）N2的释放：HCN的释放影响收率，900~1300℃是脱氮高峰。