我國為什么搞不出好的碳纖維？

我國為什么搞不出好的碳纖維？

科普幾個概念，什么是炭化和石墨化？什么是強度和模量？不要不屑，好多人都搞不清這些概念，包括做碳纖維的。炭化就是有機纖維在高溫下裂解，逸出氫、氧、氮等小分子，最后留下碳元素的這么一個過程。這是一個碳元素占比增加的一個過程，有文獻把碳元素占比增加到92%后才稱為碳纖維；石墨化就是碳材料內部碳原子在高溫下進行重新排列，慢慢趨向于完美六元網格的一個過程。在碳纖維內部就是原先比較雜亂的碳原子排列次序慢慢趨向于規整排列的亂層石墨結構的過程。有人用溫度來區分炭化和石墨化，其實這是不嚴謹的，炭化和石墨化都是一個過程，不是最終結果。我把碳纖維加熱到1500℃，如果這個過程是一個碳元素聚集的過程，那么我就叫炭化。如果在這個溫度下碳元素不再聚集保持在固定占比比例，而是碳原子排列趨向于規整六元網格結構，那么我就叫它石墨化過程。所以炭化和石墨化沒有明顯的溫度界限，哪一種趨勢更明顯就稱為哪一種過程。不同的原材料在不同溫度下的趨勢是不一樣的，所以不要以溫度來區分炭化和石墨化。



關于強度和模量。將材料損壞所使用的最大力就是強度。如果是拉伸損壞就是拉伸強度，如果是彎曲損壞就是彎曲強度也叫抗折強度，如果是壓壞就是壓縮強度。模量就是將材料施加外力使其變形一定尺寸所用的力。將材料拉長一定尺寸所用的力就是拉伸模量，同樣還有彎曲模量和壓縮模量。舉個例子，一根鋼筋我把它拉斷所用最大力就是拉伸強度，如果我不拉斷，僅僅拉伸n毫米所用的力就是拉伸模量。強度說的是材料能承受多大的外力，模量是材料是否在外力下容易變形。

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什么是好纖維



要想知道為什么搞不好碳纖維先得知道什么是好的碳纖維。首先一根纖維應該是均勻直徑，均勻物相，每一段纖維都與整根纖維一樣，強度在一定范圍內。在一根纖維上不同地方截取一段纖維，如果它們的強度比較均勻則是好纖維。其次同一束纖維有n多根纖維，這些纖維的強度比較均勻則是好纖維。最后，所有纖維所有部分強度、模量和尺寸等性能均比較均勻達到標稱標準就是好纖維。我標稱3500MPa強度的碳纖維，每一根纖維和纖維每一段都符合要求，均勻分布在2000MPa，這也不叫好纖維。所以好纖維就是又均勻又標準。日本碳纖維做的比我們好是因為它們的碳纖維更接近這一標準。我們中國的碳纖維差就差在均勻性上了，標稱T700的碳纖維有的纖維比T1000還高，有的還不如T300。到底什么因素影響了碳纖維的均勻性需要我們從原材料開始審視整個工藝路線。



第一，原材料



我們不能把碳原子直接組合成碳纖維，而是利用含有碳原子鏈的高分子進行炭化來得到纖維狀碳材料。經常用來炭化的高分子有三種：纖維素（Rayon）、聚丙烯腈（PAN）、瀝青（pitch，注意不是bitch）。今天只說聚丙烯腈。如果我們做的原絲很不均勻，里面很多雜質或者很多缺陷，這些缺陷都會遺傳給碳纖維，所以要想造出好的碳纖維必須有好的原絲。



原絲是怎么來的呢？就是聚丙烯腈進行紡絲做出來的。聚丙烯腈是粉末，首先將聚丙烯腈溶于一種溶劑，出于保密的考慮，我不會告訴你這種溶劑叫二甲基亞砜。聚丙烯腈可以溶于這種溶劑，但是不能溶于水，但這種溶劑可以和水無限互溶。這就好辦了，我們將聚丙烯腈與這種溶劑混合物通過類似淋浴似的噴絲頭噴出來，噴到這種溶劑的水溶液里，因為聚丙烯腈不溶于水，遇到水會凝固成一根根的聚丙烯腈原絲，這時候的原絲非常粗，同時原絲里面的溶劑要擴散出來，我們會通過n級溶液進行擴散。這里的溶液濃度是逐級降低的，有利于溶劑向外擴散。等擴散完之后，原絲就會進入水洗階段，這個時候在往前走的時候給它施加牽引力，原絲就會在牽引力的作用下慢慢變細，最終通過致密化，然后收絲。為了防止纖維和纖維之間粘連，中間還需要弄上上漿劑。這就是整個原絲的生產流程，如果用的聚丙烯腈原材料不好或者不均勻，那么紡絲過程原絲必然會有很大缺陷。



都知道聚丙烯腈是丙烯腈聚合起來的，這種丙烯腈聚合的時候還需要添加一些催化劑，把這些原料都倒入水中，讓它們在水中聚合，聚合出來的聚丙烯腈不溶于水，于是產生沉淀。將水過濾掉就得到聚丙烯腈。同時這個聚合過程是一種放熱過程，所以必須慢慢調節原材料進入水的速度，讓這個過程極可能緩和，同時還需要冷卻，防止過熱。這個過程很難控制，水中有各種聚合單體，還有產生的沉淀物，很可能會發生某一種原材料在反應容器中分布不均勻，造成聚丙烯腈不能達到所要求的標準。



這就是原材料的影響因素，它們的反應機理還需要更系統的進行研究。這些基礎性的研究可能不會入那些企業的法眼，因為他們就是要看到產品，不想做基礎性研究。但是要知道，理論可以為試驗指明方向，如果沒有這些基礎性研究，可能我們在錯誤的道路上越跑越遠。所以呼吁生產企業先做好理論研究，再去做產品研究。

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第二，制備工藝



碳纖維的制備工藝參數有多少？估計沒有人數的清吧，從聚合時候的溫度、流量、攪拌速度到紡絲時候各級凝固浴、水浴的溫度、速度，還有預氧化、炭化等過程。這些工藝參數怎么組合才能得到最好的碳纖維。國內基本上都是差不多主義，沒有誰真正塌下心來去研究這些參數的每一項，一個參數造成的缺陷不算多，可能很多參數沒有優化，最后的碳纖維就差了十萬八千里了。



還有一個就是我們如果要優化這許多的參數，需要一個龐大的試驗計劃，有誰能有資金支持這些實驗呢。為了盡早做出產品，都在不斷妥協妥協，結果卻造不出好產品。所以制備工藝上，我們還需要有很多路要走，別看我們能做出號稱T300水平、T700水平碳纖維，只是不是太均勻。要是能做產品性能均勻了，付出的努力將n倍于造出差不多的產品。所以國內很多企業用便宜的價格賣差不多的產品也是無奈，因為日本均勻性好的碳纖維價格不會高太多，為了這不太多的差價去付出幾十倍的努力提高均勻性，企業會做這種事嗎？



第三，制造裝備



我們所說的工藝參數的調試需要需要制造設備來實現。想一想如果我們想試驗不同牽伸率對碳纖維性能的影響，將工藝參數輸入在控制器上，而牽伸輥卻速度不穩定，還振動，那我們還能做得好嗎？別以為這個問題好解決，一個牽引機上好幾個輥，速度都要調節好，關鍵是微振動，幾乎測不到的震動都會影響產品性能。



干噴濕紡工藝，噴絲頭與液面的距離是非常嚴格的，如果液面波動將會影響凝固效果。高溫碳化爐溫度均勻性怎么解決，怎么讓纖維進入爐子的時候不被帶入微量的氧氣。預氧化爐溫度梯度如何實現，熱風如何循環才能最節能同時還能帶走釋放的熱量。氧氣量如何控制。這些都是非常細微的東西，卻對設備提出極高的要求。不可否認我們國內設備這些年發展非常迅速，可是看看大BOSS出訪美國，要求放寬對中國高端設備出口，就知道我們有多么的底氣不足了。

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第四，內外部環境



有人可能知道日本碳纖維早期的價格吧，現在的價格遠遠低于原先價格。什么時候降下來的呢？就是在我們宣布能產業化生產T300水平碳纖維那幾年。什么原因？是日本想跟我們競爭嗎？不可能，日本人知道我們發展水平，它即使不降價我們也競爭不過他，我們無非能分走一些低端訂單，根本無法動搖日本的壟斷地位。日本最主要的目的是打擊投資者。投資者看準碳纖維發展前景和利潤才決定投錢研究碳纖維的。如果碳纖維還是高利潤，投資者必然會樂意投錢去做一些基礎性研究，將眼光放長遠些。



但是看看現在做碳纖維的苦日子，還不如做制品的過得好呢，誰還會繼續投資啊，更別說長遠眼光了。所以我們也很著急，也在大力扶持企業，原先很多企業為了政策扶持而上馬項目，從部委拿到不少錢，結果還是不行。現在政策制定者學精了，工信部發的《促進碳纖維產業發展的意見》明確表示重點扶持2-3家企業。這個思路是對了，但是對于基礎性的研究，還得拿出更多的資金牽頭去做。還有一個外部環境需要考慮，我們國家碳纖維產業鏈還不太完整，有一些本末倒置。整個行業健康的發展應該是下游拉動上游，而我國下游創新不足，大家都在模仿，賣產品，而缺乏定制化的解決方案的能力，這個我會在以后的討論中專門提及。



未來國產碳纖維能發展到什么程度，需要每一個碳纖維人的努力，我們在做是因為我們相信明天會更好。

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