【原创】石墨纤维：设备和工艺是关键

中国粉体网讯  石墨纤维，分子结构已石墨化、含碳量高于99%的具有层状六方晶格石墨结构的纤维。石墨纤维是我国新材料领域重点发展的一类材料，其关键制备技术长期被国外掌控。近年来，我国在石墨纤维的关键制备技术方面也取得了一些进展。

日本东丽（Toray）公司碳纤维的产量稳居世界首位，其M70J型PAN基石墨纤维的拉伸强度为3.4GPa，拉伸模量达到690GPa，代表了当下聚丙烯腈（PAN）基石墨纤维系列的最高水平。石墨纤维的核心技术在于石墨化装备以及石墨化工艺。

石墨化设备对比

石墨化装备的关键是碳纤维进行超高温热处理的高效性。

国内外现有石墨化装备的优缺点及产业化程度

石墨化工艺

石墨化工艺的关键是纤维结构择优演变的有效控制。

①温度对碳纤维石墨化的影响

温度是影响碳纤维石墨化的主要因素，2200℃是碳纤维石墨化的敏感温度，在这一温度下碳纤维基本完成脱氮过程，各项微晶结构参数发生显著变化。不同温度场下，碳纤维吸收热量的情况不同，影响微观结构的演变进程，最终会导致石墨化程度及纤维性能有一定差异。

刘福杰等研究了分步热处理对石墨纤维微观结构及性能的影响。研究表明分步热处理有利于石墨纤维拉伸强度及体密度的提升，但是对于模量的影响较小，纤维内部石墨化程度较高，整体石墨化均质性较好，有利于提高纤维的致密性及均质性，保证模量提高的同时纤维的拉伸强度亦提高，对于制备高强高模型石墨纤维有很大的指导意义。

②热处理时间对碳纤维石墨化的影响

研究热处理时间旨在掌握石墨化进程，在保证石墨纤维质量的同时尽量缩短热处理时间，以节省能源消耗。

③牵伸力对碳纤维石墨化的影响

研究表明以不同的牵伸力进行石墨化处理，发现随着牵伸力的增大，纤维的取向度显著提升，使纤维结构由无序趋向于有序，促进空隙扩散、弥合，晶格排列更为完善，在适当的温度下采用一定的牵伸力可以改善碳纤维的微观结构，提高拉伸强度和模量。

④γ射线辐射对碳纤维力学性能的影响

γ射线作为一种高能物质，与碳纤维的相互作用促进石墨化进程，在全面把握作用机理下采用合适的辐射工艺条件，碳纤维石墨化后的力学性能可以达到一定的水平。

⑤催化剂对碳纤维石墨化的促进作用

大量研究表明硼原子对碳纤维石墨化过程有很强的促进作用，降低了纤维热膨胀系数，提高了其抗氧化性能。但是碳纤维石墨微晶结构十分复杂，硼原子的催化作用对纤维力学性能影响原因还未探明。

国内石墨纤维关键制备技术进展

2015年5月，宁波材料所特种纤维事业部制备得到M50J石墨纤维，拉伸强度及拉伸模量分别高达5.12GPa、475GPa。

2016年1月，宁波材料所在国内率先实现了国产M55J制备技术重大突破，同年9月进行了制备技术验证，并获得拉伸强度4.15GPa、拉伸模量585GPa的石墨纤维，后续进一步实现了国产M55J石墨纤维连续稳定生产。

2018年，中科院宁波材料所在石墨纤维关键制备技术方面取得重要进展，实现国产M60J石墨纤维关键制备技术突破。

参考来源：

百度百科

高分子科技.中科院宁波材料所：国产石墨纤维实现连续稳产

张政和.碳纤维石墨化技术研究进展