我國(guó)為什么搞不出好的碳纖維？

我國(guó)為什么搞不出好的碳纖維？

科普幾個(gè)概念，什么是炭化和石墨化？什么是強(qiáng)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(jī)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(gè)過程。這是一個(gè)碳元素占比增加的一個(gè)過程，有文獻(xiàn)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(nèi)部碳原子在高溫下進(jìn)行重新排列，慢慢趨向于完美六元網(wǎng)格的一個(gè)過程。在碳纖維內(nèi)部就是原先比較雜亂的碳原子排列次序慢慢趨向于規(guī)整排列的亂層石墨結(jié)構(gòu)的過程。有人用溫度來區(qū)分炭化和石墨化，其實(shí)這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模炕褪际且粋€(gè)過程，不是最終結(jié)果。我把碳纖維加熱到1500℃，如果這個(gè)過程是一個(gè)碳元素聚集的過程，那么我就叫炭化。如果在這個(gè)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(guī)整六元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，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(shì)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(shì)是不一樣的，所以不要以溫度來區(qū)分炭化和石墨化。



關(guān)于強(qiáng)度和模量。將材料損壞所使用的最大力就是強(qiáng)度。如果是拉伸損壞就是拉伸強(qiáng)度，如果是彎曲損壞就是彎曲強(qiáng)度也叫抗折強(qiáng)度，如果是壓壞就是壓縮強(qiáng)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(zhǎng)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(gè)例子，一根鋼筋我把它拉斷所用最大力就是拉伸強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)該是均勻直徑，均勻物相，每一段纖維都與整根纖維一樣，強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)。在一根纖維上不同地方截取一段纖維，如果它們的強(qiáng)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(qiáng)度比較均勻則是好纖維。最后，所有纖維所有部分強(qiáng)度、模量和尺寸等性能均比較均勻達(dá)到標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)就是好纖維。我標(biāo)稱3500MPa強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)。日本碳纖維做的比我們好是因?yàn)樗鼈兊奶祭w維更接近這一標(biāo)準(zhǔn)。我們中國(guó)的碳纖維差就差在均勻性上了，標(biāo)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(gè)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(jìn)行炭化來得到纖維狀碳材料。經(jīng)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(zhì)或者很多缺陷，這些缺陷都會(huì)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(jìn)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(huì)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?yàn)榫郾╇娌蝗苡谒?，遇到水?huì)凝固成一根根的聚丙烯腈原絲，這時(shí)候的原絲非常粗，同時(shí)原絲里面的溶劑要擴(kuò)散出來，我們會(huì)通過n級(jí)溶液進(jìn)行擴(kuò)散。這里的溶液濃度是逐級(jí)降低的，有利于溶劑向外擴(kuò)散。等擴(kuò)散完之后，原絲就會(huì)進(jìn)入水洗階段，這個(gè)時(shí)候在往前走的時(shí)候給它施加牽引力，原絲就會(huì)在牽引力的作用下慢慢變細(xì)，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(gè)原絲的生產(chǎn)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(huì)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(shí)候還需要添加一些催化劑，把這些原料都倒入水中，讓它們?cè)谒芯酆希酆铣鰜淼木郾╇娌蝗苡谒?，于是產(chǎn)生沉淀。將水過濾掉就得到聚丙烯腈。同時(shí)這個(gè)聚合過程是一種放熱過程，所以必須慢慢調(diào)節(jié)原材料進(jìn)入水的速度，讓這個(gè)過程極可能緩和，同時(shí)還需要冷卻，防止過熱。這個(gè)過程很難控制，水中有各種聚合單體，還有產(chǎn)生的沉淀物，很可能會(huì)發(fā)生某一種原材料在反應(yīng)容器中分布不均勻，造成聚丙烯腈不能達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)。



這就是原材料的影響因素，它們的反應(yīng)機(jī)理還需要更系統(tǒng)的進(jìn)行研究。這些基礎(chǔ)性的研究可能不會(huì)入那些企業(yè)的法眼，因?yàn)樗麄兙褪且吹疆a(chǎn)品，不想做基礎(chǔ)性研究。但是要知道，理論可以為試驗(yàn)指明方向，如果沒有這些基礎(chǔ)性研究，可能我們?cè)阱e(cuò)誤的道路上越跑越遠(yuǎn)。所以呼吁生產(chǎn)企業(yè)先做好理論研究，再去做產(chǎn)品研究。

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第二，制備工藝



碳纖維的制備工藝參數(shù)有多少？估計(jì)沒有人數(shù)的清吧，從聚合時(shí)候的溫度、流量、攪拌速度到紡絲時(shí)候各級(jí)凝固浴、水浴的溫度、速度，還有預(yù)氧化、炭化等過程。這些工藝參數(shù)怎么組合才能得到最好的碳纖維。國(guó)內(nèi)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(shù)的每一項(xiàng)，一個(gè)參數(shù)造成的缺陷不算多，可能很多參數(shù)沒有優(yōu)化，最后的碳纖維就差了十萬八千里了。



還有一個(gè)就是我們?nèi)绻獌?yōu)化這許多的參數(shù)，需要一個(gè)龐大的試驗(yàn)計(jì)劃，有誰能有資金支持這些實(shí)驗(yàn)?zāi)亍榱吮M早做出產(chǎn)品，都在不斷妥協(xié)妥協(xié)，結(jié)果卻造不出好產(chǎn)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(hào)稱T300水平、T700水平碳纖維，只是不是太均勻。要是能做產(chǎn)品性能均勻了，付出的努力將n倍于造出差不多的產(chǎn)品。所以國(guó)內(nèi)很多企業(yè)用便宜的價(jià)格賣差不多的產(chǎn)品也是無奈，因?yàn)槿毡揪鶆蛐院玫奶祭w維價(jià)格不會(huì)高太多，為了這不太多的差價(jià)去付出幾十倍的努力提高均勻性，企業(yè)會(huì)做這種事嗎？



第三，制造裝備



我們所說的工藝參數(shù)的調(diào)試需要需要制造設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。想一想如果我們想試驗(yàn)不同牽伸率對(duì)碳纖維性能的影響，將工藝參數(shù)輸入在控制器上，而牽伸輥卻速度不穩(wěn)定，還振動(dòng)，那我們還能做得好嗎？別以為這個(gè)問題好解決，一個(gè)牽引機(jī)上好幾個(gè)輥，速度都要調(diào)節(jié)好，關(guān)鍵是微振動(dòng)，幾乎測(cè)不到的震動(dòng)都會(huì)影響產(chǎn)品性能。



干噴濕紡工藝，噴絲頭與液面的距離是非常嚴(yán)格的，如果液面波動(dòng)將會(huì)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(jìn)入爐子的時(shí)候不被帶入微量的氧氣。預(yù)氧化爐溫度梯度如何實(shí)現(xiàn)，熱風(fēng)如何循環(huán)才能最節(jié)能同時(shí)還能帶走釋放的熱量。氧氣量如何控制。這些都是非常細(xì)微的東西，卻對(duì)設(shè)備提出極高的要求。不可否認(rèn)我們國(guó)內(nèi)設(shè)備這些年發(fā)展非常迅速，可是看看大BOSS出訪美國(guó)，要求放寬對(duì)中國(guó)高端設(shè)備出口，就知道我們有多么的底氣不足了。

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第四，內(nèi)外部環(huán)境



有人可能知道日本碳纖維早期的價(jià)格吧，現(xiàn)在的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原先價(jià)格。什么時(shí)候降下來的呢？就是在我們宣布能產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)T300水平碳纖維那幾年。什么原因？是日本想跟我們競(jìng)爭(zhēng)嗎？不可能，日本人知道我們發(fā)展水平，它即使不降價(jià)我們也競(jìng)爭(zhēng)不過他，我們無非能分走一些低端訂單，根本無法動(dòng)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(zhǔn)碳纖維發(fā)展前景和利潤(rùn)才決定投錢研究碳纖維的。如果碳纖維還是高利潤(rùn)，投資者必然會(huì)樂意投錢去做一些基礎(chǔ)性研究，將眼光放長(zhǎng)遠(yuǎn)些。



但是看看現(xiàn)在做碳纖維的苦日子，還不如做制品的過得好呢，誰還會(huì)繼續(xù)投資啊，更別說長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光了。所以我們也很著急，也在大力扶持企業(yè)，原先很多企業(yè)為了政策扶持而上馬項(xiàng)目，從部委拿到不少錢，結(jié)果還是不行?，F(xiàn)在政策制定者學(xué)精了，工信部發(fā)的《促進(jìn)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》明確表示重點(diǎn)扶持2-3家企業(yè)。這個(gè)思路是對(duì)了，但是對(duì)于基礎(chǔ)性的研究，還得拿出更多的資金牽頭去做。還有一個(gè)外部環(huán)境需要考慮，我們國(guó)家碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈還不太完整，有一些本末倒置。整個(gè)行業(yè)健康的發(fā)展應(yīng)該是下游拉動(dòng)上游，而我國(guó)下游創(chuàng)新不足，大家都在模仿，賣產(chǎn)品，而缺乏定制化的解決方案的能力，這個(gè)我會(huì)在以后的討論中專門提及。



未來國(guó)產(chǎn)碳纖維能發(fā)展到什么程度，需要每一個(gè)碳纖維人的努力，我們?cè)谧鍪且驗(yàn)槲覀兿嘈琶魈鞎?huì)更好。

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