【碳企研究】从日本东丽T300碳纤维研发成功探讨其关键技术
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东丽T300级碳纤维研制历程
20世纪50年代末，美国联合碳化物公司（UCC）成立了帕尔马技术中心从事碳纤维技术研究，1959年帕尔马技术中心发明了高性能人造丝基碳纤维的制备技术，并发明了3000°C高温下热处理人造丝（黏胶）制造碳纤维的工艺技术。
同样是在1959年，从业于大阪工业技术试验所的近藤昭男成功以聚丙烯腈PAN为原料开发出碳纤维，在实验室中制得了模量140GPa的PAN基碳纤维，高出人造丝基碳纤维模量的3倍，申请的专利后续授权给日本东丽公司。
虽然近藤昭男建立了PAN基碳纤维路线，但是其制备碳纤维强度依旧较低，而来自英国皇家研究院的瓦特在PAN基碳纤维制备工艺上进行了创新，通过在预氧化阶段施加一定张力牵伸，因此制备得到强度近似近藤昭男研制纤维两倍的碳纤维，并于1963年申请相关专利。
日本东丽在获得近藤昭男专利技术后便开展PAN基碳纤维研制，到了1970年，东丽公司启动了一个大规模项目，旨在开发用于大规模生产PAN基碳纤维技术，但当时，日本没有任何能够在生产所需高温炉，尤其是2,600–2,800℃的温度下运行的熔炉，因此东丽在生产过程导致纤维自身燃烧，无法提供合适的产品。
为了开发更好的制造工艺，东丽达成了与美国联合碳化物公司签订交叉许可协议的解决方案，UCC公司已经在生产黏胶基碳纤维。为此，东丽对UCC进行了有关高性能前驱体原料使用的培训，而UCC对东丽碳纤维制造过程尤其是高温热处理技术进行了培训。该协议使日本东丽于1971年成功实现T300级碳纤维商业化。
因此，正是1970年日本东丽与美国联合碳化物公司技术交换，从UCC获得了碳化技术，才使得东丽能够顺利开发出T300碳纤维，相反，虽然UCC获得了PAN原丝技术，但是并没有发扬光大，因此逐步退出历史舞台。
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碳纤维关键技术
从早期近藤昭男发明PAN基碳纤维路线却没有制备出高性能碳纤维，到随后日本东丽具备了成熟PAN原丝制备技术却也无法获得高强度碳纤维，直到东丽从UCC公司获得高温热处理技术，才最终实现T300碳纤维商品化，可以看出若要制备高性能碳纤维，其实高品质PAN原丝和氧碳化技术缺一不可。
回到国内，虽然我国研制PAN基碳纤维也是始于上世纪60年代，起步并不晚，但是迟迟难以取得关键技术突破，直到2010年前后才真正实现T300级碳纤维商业化，因为碳纤维生产链条太长、关键控制点多，国内不但要开发高品质原丝，而且也要自行研制高温装备，不可能做到像日本东丽和美国UCC那样可以互通有无。
长期无法研制成功使得国内学者痛定思痛，在2012年北京香山饭店召开的“碳纤维PAN原丝关键技术研讨会”上指出，原丝技术落后是制约我国碳纤维发展的主要瓶颈之一，充分肯定了高品质原丝作为生产高性能碳纤维关键之一。
但在高品质原丝的基础上，不能忽视的高温处理技术，2014年日本东丽利用传统生产技术路线，通过高温碳化处理过程的精细化控制，着重通过在纳米尺度上改善碳纤维的微结构，成功开发出拉伸强度7.0 GPa、拉伸模量324GPa的T1100G碳纤维，这也说明高温碳化不是一个高温烘烧的过程，仍然有许多关键技术待认知。
目前国内已先后突破了T300、T700级甚至T800级碳纤维工程化技术，从主体性能突破，显示了高品质原丝生产能力，但也存在稳定性差、达产率低等问题，这多少也可能与后续高温处理相关，因为国内很多碳纤维生产厂更多将其视作简单热处理过程，尤其是高温碳化往往只有几分钟时间，因此对其过程结构缺乏认知。
在高性能碳纤维高温热处理技术及结构转化机理研究领域，宁波材料所王雪飞副研究员已有10余年研发经验，相继开发出预氧化、碳化结构转化程度定性定量调控技术，明确了高强中模、高强高模碳纤维成型过程中纤维结构转化机制，欢迎在该领域有技术需求单位洽谈合作，王老师联系方式wangxf@nimte.ac.cn。