在汽车应用重量更轻的碳纤维复合材料的呼声越来越高是推动碳纤维产业向高品质的廉价碳纤维的发展。当今生产的大多数碳纤维使用PAN作为不被生产的廉价的碳纤维的有用前体。
其他前体选项，如木质素，在碳纤维生产中探讨了四十五年，只有部分成功。一些主要障碍包括如何通过大部分热处理步骤处理无法通过大部分热处理步骤来支持自己的重量的材料;熔融纺丝喂养生产植物所需的前体量;所产生的碳纤维的产生模量，强度和脆性。
俯仰前体随着过程和机械技术进行了普及，由于俯仰前体含有高达85％的碳，并且不需要像PAN一样稳定，因此不需要稳定。这可能导致更便宜的碳纤维。
本文概述把一个间距前体为碳纤维和重要方面，并与这些步骤相关的固有艰辛所需的步骤。
公司平均燃料经济的任务是在2025年的一个方法，该方法的汽车制造商将使用来实现这一任务是通过利用轻质材料如碳纤维生长至22.3公里/ L（52.5英里）。欧洲杯足球竞彩如果有三个主要汽车制造商如GM，VW，和福特分别使用8.2千克碳纤维在它们制造的每个车辆，世界范围的碳纤维生产能力将，至少是，需要加倍。
预计是汽车市场可行，碳纤维的成本必须切成两半。更便宜的前体是降低碳纤维价格的一种方式。
与当前汽车材料相比欧洲杯足球竞彩
要理解汽车行业可能对碳纤维生产行业的可能需求的影响，可以了解全球汽车行业使用的常规材料的量是有用的。欧洲杯足球竞彩在汽车工业中，铝和镁是最迅速增长的材料，因为它们的重量轻，它们正在使用越来越多的制造汽车部件，动力列，体结构等。[1]。欧洲杯足球竞彩
2018年，8600万辆汽车全球销售[2]，平均重量为1815千克[3]。使用中等估计，平均车辆的一半[4]由某种金属构成，然后由汽车工业的金属消耗超过78,000,000公吨。
与2018年全球碳纤维生产能力进行比较，这是大约149,000公吨[5]所谓的，对于碳纤维成为汽车行业中的普遍存在的材料，其“制造能力必须大幅增加。
增加世界的碳纤维能力不是必须考虑到的唯一主要障碍;与铝和钢相比，它也是$ / kg CF。现在，50K工业级纤维可以以15美元 - 18美元/千克[6]获得。低碳钢线圈的现状为1.10美元/千克[7]，2018年再循环铝的平均成本为2.27 / kg [8]。图1表现出这些成本的这些差异。
图1：铝和钢的成本相比，碳纤维的成本/公斤/公斤。图片来信：哈珀国际
降低每公斤成本的挑战在“低成本碳纤维”的发展中增加了压力，许多研究组赛车是第一个过期的终点线。一种大可能性，为了开发更便宜的碳纤维，是使用廉价的前体，例如间距。
碳纤维的简要背景
在20世纪50年代，首先将碳纤维作为导弹高温成分的增强开发。这些初始纤维是通过加热人造丝直至其碳化的股线制备的。在20世纪60年代，随着碳产率仅为20％，所得纤维具有低刚度和强度性质，因此聚丙烯腈（PAN）设计为碳纤维的前体。产生约55％的碳，该原料的机械性能显着提高了源于人造丝的纤维。
在70年代期间工作继续寻找这导致引入从石油沥青制成的碳纤维，从油处理中导出的其他原料。欧洲杯足球竞彩产生约85％的碳，这些前体有弹性模量，并且被认为是可接受的许多应用强度。由于出色的弯曲模量和能力，可以很容易地石墨化，沥青纤维被认为是用于特殊应用的特殊选择。
PAN与间距碳纤维
以下讨论了基于沥青碳纤维和底碳纤维的差异及其过程。
最常见的碳纤维，泛碳纤维占生产90％的碳纤维。它具有50至55％的碳纤维转化率为50至55％，因此由于其中间模量和高抗拉强度，主要选择用于结构增强。间距是从石油沥青，煤焦油或聚氯乙烯的多环芳烃。它具有碳纤维转化率〜80％或更高，并且与PAN相比，可以达到相当高的模量，并且具有更大的电和导热性。
由于其基本上较低的碳产率，底碱基碳纤维线需要基本更大的减排系统。正在处理的废气与PAN的俯仰基本不同，这也影响了减排系统。锅和沥青之间排气废气成分的最大差异是HCN;间距碳纤维工艺不会释放任何可检测的HCN。用于间距的排气废气的主要成分是CO，CO 2和H 2，并且对于PAN是HCN，NH3，CO，CO 2和H 2。这两个流程都产生了一些焦油和字符。
硫是通常在间距碳纤维中的主要残留物，并且自然发生;对于PAN碳纤维，硫仅是残留的，如果DMSO用作溶剂，并且在纺丝期间在脱硫阶段中没有充分除去硫。在锅中不需要硫，因为它可以导致高温和低温炉中的金属粉尘和腐蚀。在极高的温度（> 2500°C）之前，间距中的硫不太可能是一个问题，所以设备对于设备不太有问题。2020欧洲杯下注官网
另一个有问题的残留，可以是在PAN是从使用硫氰酸钠作为在纺丝过程中的溶剂钠。残留的钠是不希望的，因为它可以在高温炉反应形成有毒的氰化钠。对于这两种前体，至关重要的是要理解在热处理阶段，相关的反应动力学可以来自纺纱过程中有什么残差出能够选择合适的建筑材料和设计对于可能出现的，这种潜在的问题准备欧洲杯足球竞彩在困难建隆到达的地方。
最后，在热处理过程中，在热处理期间与纤维物理上发生的内容，间距和平底锅之间的另一个值得显着的差异是产生的颗粒的数量。与螺距的沥青相比，颗粒脱落的纤维有限，锅纤维上的施胶产生了一个值得注意的颗粒，必须处理，并且需要一块额外的资本设备，例如排气堆叠的袋别墅以陷阱2020欧洲杯下注官网这些颗粒。如果在设计阶段不适当管理，排气管和设备内部的这些微粒的构建可能会产生均匀性问题并增加维护停机时间。2020欧洲杯下注官网
对于基于泛的碳纤维来达到其最高可能模量，需要使用超高温度炉的进一步热处理步骤。由于其高温，该炉子由于建筑材料和维护而昂贵，这导致内部部件更快地穿过更快，特别是加热元件。欧洲杯足球竞彩在没有这种额外的步骤的情况下，球场可以达到更大的模量，因为它比平底锅更新。
对于PAN以获取它的机械性能，与节距，就必须通过拉伸稳定化和碳化。这种伸展介绍资本设备（张力站）和不同的地方这些设备的原产国的额外件;2020欧洲杯下注官网一个特殊的出口许可证将可能是必要的。因为它是不可能拉伸节距其性质在纺丝过程中确定的。
PAN可以使在加工配套的光纤不需要支持大量超过自身重量通过全过程。通常PAN纺成纤维，穿上，然后可展开并拉进与张力看台烤箱稳定卷轴。长丝支数的范围为大与从1K至600K和虽然PAN纺丝工艺是难以掌握，是公知的和目前用于大规模生产丝束。
间距无法通过完整过程支持自己的重量，因此在处理期间需要对光纤的支持。通常间距直接旋转到皮带上，然后进入稳定烘箱。通常的格式是一个非织造垫与平底锅的丝束，并且对于螺距丝束，与PAN相比，丝数的范围很小，通常<2K。与PAN相比，俯仰和纺丝过程的净化过程非常难以掌握，并且不充分理解或以大规模施加或施加。
表1列出了可商购的锅和沥青基碳纤维的一些性质，并证明了机械性能，特别是模量的变化。
表1。各种碳纤维的机械性能。资料来源：哈珀国际
| 前兆 |
名称 |
制造商 |
拉伸模量（GPA） |
拉伸强度（GPA） |
| 泛 |
TC55. |
福莫萨 |
380. |
4.4 |
| HM63 |
exexcel. |
438. |
4.8 |
| M55J. |
Toray. |
538. |
4.0 |
| M60JB. |
Toray. |
588. |
3.8 |
| pitch |
K1392U. |
三菱 |
759. |
3.7 |
| K800. |
amoco. |
863. |
2.1 |
| K13C2U. |
三菱 |
897. |
3.8 |
| K1100 |
amoco. |
932. |
3.2 |
| K13D2U. |
三菱 |
966. |
4.0 |
俯仰前体
间距是从石油沥青，聚氯乙烯或煤焦油获得的多环芳烃。与PAN相比，它相对便宜，具有显着的碳纤维产量。有两种俯仰，各向同性和各向异性（中间级），但所有螺距开始于各向同性，并且通过加工，间距变为中间相。两种所得碳纤维的结构，性质和纳米纹理有所不同[9]
各向同性间距型碳纤维通常是12-18mm的不连续纤维（切碎），直径为1.6克/厘米3.密度，具有低模量，40gPa和低导热率，因为其碳原子的弱结构取向和欠发达的石墨结晶度。由于其竞争性成本，由于重量轻，耐热性，化学稳定性和磨损特性，各向同性沥青型碳纤维广泛应用于工业用途。
中间相沥青型碳纤维通常是连续纤维（约2K长丝），或喷涂为无纺布垫，长丝直径为7-10mm，密度为1.7-2.2g / cm3.这导致大约600 GPa至〜965 GPA的模量范围大，[10]。由沥青制造的大多数碳纤维是使用中间相沥青，因为它是能够旋转，使得热加工期间的拉伸是没有必要的过程中实现了高度沿纤维轴的六角层的取向的[11]。这种高度定向的分子结构和高结晶度可能导致碳纤维比传统的PAN纤维更大的模量，并且可以接近1000gPa的理论极限。
将沥青加工成碳纤维
制作过程碳纤维是部件机械和部分化学品。以下图2是通过所得碳化炉从俯仰前体的非织造垫的CF方法的示意图。该示意图将溶剂化的中间体间距纺入熔喷装置中的纤维。与剩余的处理设备相比，该示意图展示了所需的纺纱系统的复杂性。2020欧洲杯下注官网This spinning system’s main components include a pitch feeding device, vacuum vent, extruder, spinning pump, ballast pump, spinneret head, filter, air flow jet regulator, fiber collector, temperature and pressure system, and a vacuum control system required to form the needed precursor format before stabilization and carbonization that results in the final carbon fiber product.[12]
图2：熔喷纤维纺丝装置的示意图和用于制造基于沥青的CFS的热过程。[1间距喂养;2挤出机;3排气通风口;4压载泵;5旋转泵;6过滤器;7喷丝头;8原发性气流;9二级空气流; 10-diffuser; 11-air exhaust; 12-spun fiber web; 13-moving belt collector; 14-stabilization oven; 15-carbonization furnace; resulting 16-CF web.] Image Credit: Harper International
图2是一个简单的视图和几种情况，如此如此，用作闪亮的例子，以显示从锅，间距或其他前体制造碳纤维的容易。商业方面说：“从我们那里购买这个惊人的前体，这取决于客户将其加工成碳纤维，但看到它是多么容易”他们指向这个数字。然而，工业形象知道将任何前体改变为碳纤维的更复杂和资本密集，而不是图2说明的。
图3显示了实际需要的内容，是4.0米宽的“试点”系统的示意图，用于处理俯仰垫。已经简化了该示意图，特定于一个单独的过程，并且不是所有种类的俯仰前体或过程的令人满意的解决方案。示意图的目的是说明生产规模植物所需的设备的大小。2020欧洲杯下注官网注意在整个原理图中，“操作员”（1.8米）以参考实际设备尺寸。2020欧洲杯下注官网相比之下，照片1是哈珀4.0米的飞行员的规模系统）。
图3：Harper International 4米宽的间距热加工'试点植物。图片来信：哈珀国际
照片1：Harper International 4米宽的间距热加工'试点植物。图片来信：哈珀国际
以下部分概述了通过表面处理纺丝的过程和该过程中内在的复杂性和挑战。
旋转
在高温下加热各向同性沥青，然后基于所需的客户端配方在氮气中过滤并处理，以固定数小时，以通过所需的软化点温度制备碳纤维前体。该步骤至关重要，以便成功旋转纤维，并将确定所得的间距是中间相或各向同性的。然后将得到的俯仰前体熔化或熔化到纤维中通过圆形喷嘴喷丝接机。
中间体间距可以熔融纺丝，但由于其流动特性的过程可以是硬和溶剂可能需要其随后必须被去除。这就是所谓的溶剂化中间相沥青和不像传统的中间相沥青，溶剂化中间相沥青通常由超过70％（体积）的光学各向异性。添加溶剂确保间距是在降低的温度更纺丝的。[12，13，14，15]
脱挥发化和稳定
稳定的化学反应是复杂的，并产生若干步骤，其中的一些可以在同一时间发生。该步骤用于使纤维是交联的哪里，在碳化期间，它们不能被熔化或熔合在一起的点。
对于溶剂化的中间蛋白酶前体，所考虑的临界区域是需要受控，再循环气氛的前体的脱挥发化，其具有溶剂回收率。脱挥石部分的长度对于许多控制区域是值得注意的。区域内的一致温度控制，以及纤维被加热的速率对纤维处理至关重要。基于理想区域长度与独立控制的成本的比较来选择区域的大小和数量。
碳化
当纤维稳定时，将它们加热几分钟至高温（> 1250℃），在炉内具有惰性气氛。当纤维被加热时，它们开始失去它们的非碳原子。当这些原子丢失时，左碳原子形成紧密粘合的碳晶，其几乎平行于纤维的长轴对齐。
讨论
处理交替的前体造成泛前体不同的技术挑战。为了成功，对具有彻底开发和良好的过程和适当的热和材料处理设备具有彻底的发达和良好的方法，以满足每个客户的前兆的个性化需求。2020欧洲杯下注官网
高度定制的，将从小规模到大规模商业设备中需要开拓设备。2020欧洲杯下注官网随着生产率的飙升，停机生产成本的影响也是如此。将需要稳定的流程以防止停机和成功利润。特别是，这意味着需要具有先进的热和大气流动均匀性以及2020欧洲杯下注官网强大的材料处理系统的设备。
PAN技术是不适当的，如果一个替代的前体（在垫或丝束格式）不能支撑其自身重量。哈珀可以提供热处理设备，其中，支撑所述材料。2020欧洲杯下注官网然而，这其中，“健全性检查”必须就如何继续进行。在研究规模，如果设备是连续或间歇？2020欧洲杯下注官网即使是小批量的设备非常复杂而且昂贵2020欧洲杯下注官网，程序应该考虑到可能需要扩大规模纺丝过程中时间的现实。
应考虑到实际上能够测量成功所必需的设备，这通常是稳定烤箱。2020欧洲杯下注官网在该阶段，这可能是一个连续的碳化炉，直到该程序进展到纺丝和铺设材料，以大量和质量铺设。哈珀将与客户合作，帮助他们确定并培养他们的要求。
参考资料
[1]由产品（铝，钢，镁）的汽车市场分析，通过应用（身体结构，动力列车，悬架），通过终用使用，以及2018年 - 2025年的段预测，2017年8月出版。。
[2]http://carsalesbase.com/global-car-sales-2018/
[3]https://www.autolist.com/guides/average-weight-of-car.
[4]https://www.forbes.com/sites/greatspeculations/2015/05/20/trends-the-teel-usage-in-the-automotive-工业/＃136209e51476
[5]https://www.statista.com/statistics/380549/leading-countries-by-carbon-fiber-production-capacity/
[6]https://www.compositesworld.com/columns/autocomposites-and-the-myth-of-5lb-carbon-fiber
[7]https://agmetalminer.com/metal-prices/carbon-steel/
[8]https://firstquarterfinance.com/wl-r-price-aluminum-per-pound-everything-else-know-recycling-aluminum/
[9]“碳材料的工程和应用”，Michio Inagaki，Feiyu Kang，材料科欧洲杯足球竞彩学与工程：基础（第二版），2014欧洲杯线上买球
[10]“碳纤维”，http://www.formula1-dictionary.net/carbon_fiber.html
[11]“碳纤维”，Michio Inagaki，在新的碳中 - 控制结构和功能，2000
[12]“熔喷溶剂化的中间相沥青基碳纤维：纤维演化和特征”，Zhongren Yue，Chang Liu和Ahmad Vakili在碳研究杂志。C 2017,3（26）。
[13]沃尔特，米;kalback，h ;;罗梅尼，e .;Bourrat，x.m。溶剂化的中间相沥青。1993年11月9日美国专利5,259,947。
[14]南德，下来;罗姆松，H.E;Nanni，E.J .;Carel，M.W.制备溶剂化的中间相沥青的方法。美国专利5,437,780,1995年8月1日。
[15]“溶剂化的中间相沥青基碳纤维：纺丝纤维的热氧化稳定”，yue，Z。刘，c。;Vakili，A.在J. Mater。SCI。2017,52,8176-8187。
[16]“中间相沥青及其碳纤维”，Matsumoto T.在纯和应用化学中。57（11）：1553-1562（1995）。
[17] [17]“液晶纹理的液晶纹理的影响在大直径碳纤维的结构和性能”，冠明元，b柳，宣链李，zh诚董，万晶胡，艾丹韦斯特伍德，叶公司和江张inACS Omega 2019,4,1095-1102
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