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探索PAN基碳纤维连续石墨化：工艺、性能与应用的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

碳纤维作为一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀等一系列优异性能，在现代工业和科技领域中占据着举足轻重的地位。其中，PAN基碳纤维凭借其生产工艺相对简单、产品力学性能优异等优势，成为市场上应用最为广泛的碳纤维类型，占碳纤维总量的90%以上。在航空航天领域，PAN基碳纤维被大量用于制造飞机和火箭的零部件，如波音、空客等飞机的机翼、机身等关键部位均采用了PAN基碳纤维复合材料，这不仅有效减轻了飞行器的重量，还显著提高了其性能和燃油效率；在汽车工业中，PAN基碳纤维用于制造汽车零部件和车身材料，能够提高汽车的操控性、安全性以及能源利用效率，特斯拉等汽车品牌已在部分车型中尝试应用碳纤维部件以提升车辆性能；在能源领域，PAN基碳纤维用于制造太阳能电池板和风力发电设备的零部件，能够提高设备的效率和稳定性，促进清洁能源的发展。

石墨化是制备高性能PAN基碳纤维的关键工艺环节。在石墨化过程中，PAN基碳纤维在高温环境下，内部原子结构逐渐重排，碳原子形成更为规整的石墨晶体结构。这一转变使得碳纤维的模量大幅提升，密度增加，热膨胀系数降低，从而显著改善了碳纤维的综合性能，使其能够满足高端应用领域对材料高性能的严苛要求。传统的碳纤维制备过程中，PAN基碳纤维的石墨化通常采用间歇式工艺，这种工艺存在生产效率低、能耗高、产品质量稳定性差等问题，难以满足日益增长的市场需求。而连续石墨化技术作为一种新型的石墨化工艺，具有生产效率高、能耗低、产品质量稳定等优点，成为了当前碳纤维制备领域的研究热点。研究PAN基碳纤维的连续石墨化过程，深入探究其中的结构转变机制以及工艺参数对性能的影响规律，对于优化碳纤维的性能和制备工艺，提高碳纤维的生产效率和质量，降低生产成本，拓展碳纤维的应用领域具有重要的理论意义和实际应用价值。通过对连续石墨化过程的研究，可以为碳纤维产业的发展提供关键技术支持，推动我国碳纤维产业实现高质量、可持续发展，提升我国在高性能材料领域的国际竞争力。

1.2国内外研究现状

国外在PAN基碳纤维连续石墨化领域的研究起步较早，取得了一系列显著成果。日本东丽公司作为全球PAN基碳纤维领域的领军企业，在连续石墨化技术方面投入了大量研发资源，通过对石墨化设备和工艺的不断优化，成功开发出了先进的连续石墨化生产线，实现了高性能PAN基碳纤维的大规模生产。其生产的M70J型PAN基石墨纤维，拉伸强度达到3.4GPa，拉伸模量高达690GPa，代表了目前PAN基石墨纤维的最高水平。美国在PAN基碳纤维连续石墨化研究方面也处于世界前列，佐治亚理工学院等科研机构采用凝胶工艺获得PAN共聚物，并在连续碳化生产线上制备得到了拉伸强度5500-5800MPa，拉伸模量354-375GPa的PAN基高模量碳纤维，展示了美国在碳纤维制备技术上的创新能力。

国内在PAN基碳纤维连续石墨化领域的研究虽然起步相对较晚，但近年来发展迅速。中科院宁波材料技术与工程研究所的碳纤维及其复合材料团队在张永刚研究员的带领下，开展了聚丙烯腈（PAN）基高强高模碳纤维国产化技术的基础研究工作，总结出了诱导三维有序石墨结构形成的关键技术，为高导热高性能碳纤维的制备和生产提供了理论指导。北京化工大学谭晶等研制了一种碳纤维超高温石墨化激光隧道炉，该设备采用激光照射碳纤维进行辐射加热，可实现3000℃以上的超高温长期稳定加热，具有石墨化效率高、制造成本低、温度场可控等优点，为连续石墨化技术的发展提供了新的思路和方法。然而，目前国内外的研究仍存在一些不足之处。一方面，对于连续石墨化过程中PAN基碳纤维的微观结构演变机制尚未完全明确，缺乏深入系统的研究；另一方面，现有连续石墨化工艺和设备在提高生产效率、降低能耗以及进一步提升碳纤维性能等方面仍有较大的改进空间。此外，关于连续石墨化过程中工艺参数的优化组合以及多因素协同作用对碳纤维性能的影响研究还不够全面和深入。

1.3研究内容与方法

本研究聚焦于PAN基碳纤维连续石墨化过程，旨在深入探究其结构转变规律以及工艺参数对性能的影响，从而为碳纤维制备工艺的优化提供坚实的理论依据和实践指导。具体研究内容如下：

PAN基碳纤维连续石墨化过程中的结构转变研究：运用先进的材料分析技术，如拉曼光谱、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等，对不同石墨化阶段的PAN基碳纤维进行微观结构表征。通过分析石墨微晶尺寸、取向度、层间距以及缺陷等结构参数的变化，深入揭示连续石墨化过程中PAN基碳纤维的结构演变机制