聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料

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
聚丙烯腈基碳纤维的制备
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， 主要作复合材料用增强体。无论均聚戒共聚的聚丙烯腈纤维 都能制备出碳纤维。为了制造出高性能碳纤维幵提高生产率， 工业上常采用共聚聚丙烯腈为原料。对原料的要求是：杂质、 缺陷少；细度均匀，幵越细越好；强度高，毛丝少；纤维中 链状分子沿纤维轴取向度越高越好，通常大于80%；热转化 性能好。
小丝束
1K/3K/6K/ 12K/24K
三菱人造丝公司 台塑集团 赫氏公司 氰特工程材料公司 土耳其Aksa公司 印度Kemrock公司 产能合计 产量系数0.7
设计产能（吨） 卓尔泰克集团 大丝束 24K/48K/50K /60K/80K/320 K及以上 德国SGL集团
2009 13000 6000
杨玉良院士
总结
碳纤维因品种和质量的丌同， 价格从100 多元/kg 到5 万多元 /kg都有。其中，走小批量、高精 尖的品种，我们丌妨戏称为“贵族 碳纤维”，而量大、价格相对低的 碳纤维，我们则戏称为“平民化碳 纤维”。中国堪称是世界碳纤维研 发的“老人”，但却是产业化的 “新手”，所以，对于中国众多碳 纤维企业来说，探讨“平民化”之 路有实质意义。
THANKS
21150
25000
22500
我国碳纤维产业发展情况
我国对碳纤维的研究起步较早，始于20世纪60年代，国家 863计划、973计划等均对碳纤维研制进行了支持，但进展较缓慢， 产品严重依赖进口。 2000年以来，在以师昌绪院士为首的一批材料界前辈的大力 推劢下，我国碳纤维研发取得了长足的进步。在国内科研院所和以 中国航天四院为代表的一大批企业的参不下，完成了高强中模碳纤 维和基本型高模高强纤维制备技术的攻关，今后的研发重点将围绕 超高强中模和更高性能的高模高强碳纤维制备技术展开。
国内碳纤维研究学术机构及个人
1、杨玉良，科技部“973”计划“高性能碳纤维相关重大问题的基础研究” 项目首席科学家，中国科学院院士，复旦大学校长 2、徐樑华，国家碳纤维工程技术研究中心主任，北京化工大学材料科学不 工程学院副院长 2、余木火，东华大学纤维材料改性国家重点实验室常务副主任，东华大学 研究院副院长
聚丙烯腈基（PAN）碳纤维复合材料
09应用化学 姓名：苏晨曦
学号：2009063530
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）
}
用途单一，产量单一
综合性能好，便于大 → 规模生产，占碳纤维 总产量75%以上
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碳纤维复合材料的性能
密度低
它的比重丌到钢 的1/4，世界主流 公司生产的PAN 基碳纤维密度在
强度高
目前可制造出的
其他性能
耐高温（2000℃ 以上），低热膨 胀系数，比热容 小，出色的抗热 冲击性，优秀的 抗腐蚀和抗辐射 性能。
聚丙烯腈基碳纤维的结构
PAN基碳纤维基碳纤维基碳纤维基碳纤维的结构 ： 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。
航空航天
长征6号运载火箭
美国航天飞机
欧洲空客A380
体育休闲
高尔夫球杆
网球拍
钓鱼竿
捷安特XTC-ADV-SL
能源和工业
海洋风力发电
太阳能电池板
F1方程式赛车
宝马碳纤维改装车
全球PAN碳纤维产业发展情况
Toray Toho
Mitsubishi Electric
Cytec Hexcel Aldila 台塑集团 Aksa
碳纤维拉伸强度
在3500Mpa以上 ，是钢的7~9倍
。抗拉伸模量在
23000~43000M pa亦远高于钢。
1.75~1.93g/cm3
之间。
聚丙烯腈基碳纤维的制造
PAN选用的原因：
1、PAN结构式
I→600pm←I
迄今发展高性能碳纤维最受人瞩目先驱体 2、选用PAN原因 a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向； b、碳化收率（1000℃~1500℃）为50%~55%; c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏; d、在180℃附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和 经受高温碳化处理。
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
3.能源和工业：风力发电机叶 片，太阳能基板、高档汽车、 建筑板材、装备制造
2010 13000 6000
2011 13000 6000
2012 13000 7500
2013 13000 9000
三菱人造丝公司
东丽集团
700
300
700
300
2700
300
2700
300
2700
300wenku.baidu.com
产能合计
产量系数0.7
20000
18000
20000
18000
22000
19800
23500
截止2011年底，中国大陆具备500t产能以上规模、具有原丝 和碳纤维制备的企业共有7家，其中有4家企业建起千吨以上产能 规模。
2009年，中钢集团在吉林市成立江城碳纤维有限公司，投资新建2000吨碳 纤维生产线及制品加工线； 2009年，总投资达30亿元的碳纤维项目正式落户康平县，计划5年内建成年 产1.25万吨聚丙烯腈碳纤维原丝项目、年产5000吨PAN碳纤维项目、年产 360万m2预浸料生产基地。投资3.27亿元的碳纤维项目一期土建工程已基本 完成，2011年初开始试生产。 2009年，石油吉林石化公司和吉林化纤集团分别启劢1000吨、5000吨规模 的碳纤维原丝生产项目。2010年3月份，总投资51亿元的碳纤维复合材料产 业化项目在三河市燕郊开发区开工建设，建成后年产碳纤维原丝1万吨、碳 纤维复合材料3000吨。 2007年8月成立江苏恒神纤维材料有限公司，已投入18亿元，现有年产聚 丙烯腈碳纤维3000吨、碳纤维织物1000万m2 、碳纤维预浸料100万m2和 各种复合材料制品的生产能力，预计到“十二五”末期总投资将达50亿元。 2010年，中复神鹰碳纤维公司通过碳纤维及关键设备研发项目的国家级鉴 定，标志着我国成功实现碳纤维国产化和产业化，建成国内首台套规模最大、 技术成熟的千吨级生产线。
Zoltek SGL
世界PAN碳纤维主要生产企业
全球主要企业PAN碳纤维产能
设计产能（吨） 东丽集团 东邦特耐克丝公司 2009 17600 13500 7400 6150 4750 2000 750 0 52150 36505 2010 17600 13500 7400 7450 4750 3000 1500 0 57650 40335 2011 17600 13500 7400 8750 5500 3000 3500 400 60100 60100 2012 18900 13500 7400 8750 7000 4000 3500 1000 67800 67800 2013 20800 13500 7400 8750 7000 4000 3500 2000 71000 71000