【技术干货】一文了解PAN基碳纤维的制备工艺、关键性能及生产过程质量控制
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碳纤维是如何制造的？
PAN基碳纤维主要制备流程如下图所示，PAN原丝经过预氧化、低温碳化、高温碳化以及后处理工艺后，经卷绕加工得到PAN基碳纤维，若要制备高模量碳纤维则需要在高温碳化处理后增加石墨化炉。
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碳纤维生产过程主要控制指标有哪些？
下表以日本东丽T300碳纤维为例，纤维主要测试指标包括：拉伸强度、拉伸模量、线密度、上浆率、体密度等，此外复合材料ILSS也是一项关键指标。
除了上述主要力学性能之外，实验室还测量以下内部使用的属性：
并丝情况：该测试用于确定24K样本中有多少根单丝粘在一起，高并丝数量可能是拉伸强度低的原因之一。
体密度 ：氧化过程、低温碳化和高温碳化处理后的纤维密度变化，主要用于评估工艺条件的有效性。
线轴硬度：测量线轴的硬度主要是为了确保线轴不会缠绕得太紧或太软，这可能会在进一步加工纤维时引起问题。
热氧化稳定性 ：主要用于明确高温下碳纤维在空气中的重量损失。
纤维表面官能团 ：确定纤维表面上的含氧化学基团的数量。
除了纤维的力学性能测试以外，还应定期测试纤维制备过程中的张力以及表面处理和上浆槽的浓度，结合良好的前驱体纤维和工艺控制，可以确保产品质量的稳定。
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影响碳纤维主要性能的因素有哪些？
3.1 拉伸强度
如果拉伸强度低，应注意检查并调整以下参数：
主要因素：前驱体纤维质量（更换前驱体原丝）、氮气质量（检查水分和氧气含量）、高温炉（检查温度）等
次要因素：氧化（检查氧化后的纤维密度）、低温碳化炉（检查温度曲线并清除焦油）、表面处理（检查氧化处理电流）、整个过程中拉伸和收缩(检查滚筒速度）等
3.2 拉伸模量
在拉伸模量低或高的情况下，应检查并校正以下设备参数：
主要因素：高温碳化炉温度（降低终端温度可以降低纤维模量），整个碳化过程中的牵伸(检查滚筒速度）等
3.3 线密度
在线密度低或高的情况下，应检查并调整以下设备参数：
主要因素：前驱体纤维的线密度、张力架的速度
次要因素：氧化（检查氧化后纤维密度）、低温碳化炉（检查温度曲线并清除焦油）、高温碳化炉（检查温度和纤维模量）
3.4 上浆
在低或高上浆水平的情况下，应检查并纠正以下设备参数：
主要影响：上浆槽内浆液浓度（降低浓度以降低上浆率）
次要影响：上浆槽温度（高温会导致较低的上浆率）、上浆槽中的张力等
3.5 碳纤维密度
碳纤维密度如果保持在给定的范围内，则不须进行调整，因为这可能会影响其他更关键的性能，如拉伸强度和模量
3.6 层间剪切强度（ILSS）
如果ILSS较低，应检查并调整以下工艺参数：
主要影响：检查表面处理过程中的程度（如果过低，ILSS会降低）、高温碳化炉温度（过高的温度会降低ILSS）
次要影响：表面处理槽温度，极端的热或冷会影响ILSS