聚丙烯腈(PAN)基碳纤维复合材料
聚丙烯腈合成碳纤维
稳定过程中的反应
环化反应是稳定化过程中的关键反应在这一过程中，碳氮三键转化为碳 氮双键，形成双键后形成环状结构。
在由PAN前驱体生产碳纤维的过程中，环化反应的进展，会影响到其他 热稳定过程中涉及的反应机制
稳定过程中的反应
碳纤维生产的热稳定过程涉及14个参数，包括（i）烘箱温度，（ii） 再循环风速，（iii）接触网，（i v）排气吸力，（v）再循环期间的空 气输入量，（vi）拖车计数，（vii）每个拖车中的灯丝数量，（viii） 能量释放纤维，（IX）在缝隙处的间隙，（x）纤维中的水分含量， （XI）细丝直径，（XII）停留时间，（XIII）在烤箱端部的密封，和 （XIV）炉内烟道气体的浓度。
2
聚丙烯腈 的应用
聚丙烯腈在水净化、空气过滤、防护服、超级电容 器、碳纤维复合材料等领域有着广泛的应用。
水净化
重金属、细菌和化学物质等对水体的污染对环境有着严重的威胁。 目前，聚丙烯腈基膜具有着良好的耐热性和耐化学性，以及较好 的机械性能，学者们对其在水净化中的应用越来越感兴趣。 通过各种化学物质（如：二乙烯三胺、聚乙二胺四乙酸、羟胺、 羟胺盐酸盐）对聚丙烯腈纳米纤维膜进行功能化处理，可以观察 到其在去除金属离子、染料和细菌等方面的优异性能。
电纺纤维在280℃的空气中热稳定1小时，然后在800℃的氩气气氛中进一步 碳化。加入氯化锌有助于在较低温度下获得芳香碳结构，在热稳定过程中以 水的形式消除氢。此外，它还通过刻蚀碳原子进一步催化碳化过程中微孔的 形成
3
聚丙烯腈合成碳 纤维
湿法纺丝工艺
制备的聚丙烯腈溶液 在非溶剂和溶剂的混凝剂 溶液中转化为纤维。聚丙 烯腈溶液最初被过滤，并 进入浸入含有溶剂（如硫 氰酸钠水溶液）的浴中的 喷丝板。使得纤维沉淀， 然后当它从喷丝孔出来时 凝固。在凝固浴中的停留 时间通常保持为10秒。在 随后的步骤中，过量的溶
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PAN基碳纤维复合材料-作业课件
c、在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏；
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纤维截面SEM照
PAN碳纤维表面结构
全球PAN 碳纤维产业发展情况
全球PAN 碳纤维产业发展情况
图11:三菱人造丝预测的全球碳纤维在三大领域的需求增长情况
-
-----
9700 8200
12200. 8800
27500 2 280 0-.
- 4 800 0
15000-
10000 9300
33700 —4200 0—2009来自20102011
2012
2013
2014
2015
一般产业用途■体育休闲用途■飞机用途
我国碳纤维产业发展情况
起步早-----始于20世纪60年代 进展慢-----产品严重依赖进口。 井喷式-----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。
聚丙烯腈基 (PAN) 碳纤维复合材料
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 等人造纤维或合成纤维为原料，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。
碳纤维的性能 (PAN)
强度高
密度低
其他性能
理论强度可达到 180GPa。 目前东 丽T1000的强度达 到7.02GPa, 虽然 远低于理论值但 比钢的强度要高 出很多
80000
70000
60000
50000
40000
30000 20000 10000
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
粘胶基碳纤维的制备方法
粘胶基碳纤维的制备方法
粘胶基碳纤维是指以聚丙烯腈（PAN）为原料，通过高温炭化处理制备而成的一种高强度、高模量的纤维材料。
其主要应用在航空航天、汽车、电子、石化等领域中。
下面介绍其制备方法：
1. 处理原料
将PAN均匀分散在外加剂和水中的乳液中，对乳液进行混合搅拌，得到颗粒均匀、稳定的PAN浆液。
2. 纺丝
将PAN浆液装入纺丝机中进行纺丝，并且将纺出的丝线收取到盘子上。
此时，由于丝线较为脆弱，需要对其进行固化处理以提高其强度和拉伸性。
固化处理使用热空气或水浸的方式进行。
3. 氧化
将固化后的纤维进行氧化处理，通常使用的氧化剂是氧气，将丝线放入氧气烤箱中进行烘烤，使其发生氧化反应，形成氧化PAN纤维。
该步骤的主要作用是改变纤维的化学结构，形成较强的氧化层，以提高炭化后的制品性能。
4. 碳化
将氧化后的纤维进行碳化，过程中需要加入高温、高压的氮气或氩气等惰性气体，以防止纤维氧化。
碳化窑炉通常采用化学气相沉积（CVD）或热解等方法进行，将纤维加热到高温下，使其分解并重新组合成纯净的碳。
碳化后的纤维具有较强的机械性能和耐高温、耐腐蚀的特性。
5. 表面改性
为了使粘胶基碳纤维更好地适应各种应用场合，对其进行表面改性是非常必要的。
通常采用的方法有电化学和化学涂层等方式，使表面覆盖上防氧化层或具有特定性能的附属层。
以上就是粘胶基碳纤维的制备方法，这种材料的应用非常广泛，所以其制备技术也在不断地优化和改进。
随着技术的不断发展，相信将来这种材料将会更加完美。
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。
PAN碳纤维
东邦Tenax：对其PAN原丝和碳纤维生产工艺和技术进行了重大创新，使生产效率提高 10～100倍。
东丽：丙烯腈（AN）与依糠酸（IA）在DMSO溶剂中进行溶液聚合时，加入少量平均 相对分子质量（Mz）约为580万的PAN然后将该聚合液通入氨气制成纺丝原液制得直 径为2.1μm、强度为7.2 GPa、模量为470GPa、抗压缩强度为1.6 GPa的超级碳纤维。
，是钢的7~9倍
。抗拉伸模量在 23000~43000M pa亦远高于钢。
基碳纤维密度在
1.75~1.93g/cm3 之间。
国际形势
PAN的选用
聚丙烯腈（PAN）在1961年通过Shindoin首次被认定作为碳纤维合适 的前驱体。 PAN的结构
PAN的影响因素： 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。 丙烯腈（AN）可以聚合本体聚合，悬浮液聚合，溶液聚合，并在乳液 通过将自由自由基，离子或原子转移自由基聚合。
聚丙烯腈基（PAN）碳纤维复 合材料
班级：11031101材料化学 姓名：黄洛玮 学号：1103860621
PAN碳纤维介绍
PAN的选取原因 PAN碳纤维的制备
PAN碳纤维的前景及国际形势
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 人造纤维或合成纤维为原料，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。
美国Hexcel公司
中国的碳纤维发展速度有待提高，需要我们继续不懈的努力
参考文献：
CarbonFibers:PrecursorSystems,Processing,Structure,and Properties.---------------------ErikFrank,LisaM.Steudle,DenisIngildeev,JohannaM.Spç rl,and MichaelR.Buchmeiser*
PAN碳纤维
聚丙烯腈（PAN）碳纤维黄洛玮1103860621摘要：聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，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。
本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。
关键词：PAN基碳纤维碳纤维结构 PAN基碳纤维制备 PAN基碳纤维性能 PAN基碳纤维应用前景1.概述碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
聚丙烯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。
2.PAN碳纤维结构碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。
碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。
碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。
PAN选用的原因：1、PAN结构式:这是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。
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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。
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。
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
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
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
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沥青基
粘胶基
聚丙烯腈基（PAN）
}
用途单一，产量单一
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。
THANKS
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
300
产能合计
产量系数0.7
20000
18000
20000
18000
22000
19800
23500
综合性能好，便于大 → 规模生产，占碳纤维 总产量75%以上
zzzzzzzzz
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。
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
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。
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
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
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。