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《英国新碳纤维开发生产线设计阶段已完成，有助于促进碳纤维创新及工业增长》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2025-03-12

  • 转自全球技术地图

    据AZO Materials 2月28日消息，英国国家复合材料中心（NCC）宣布英国新型碳纤维开发线的设计阶段已经完成，将在英国向净零排放转型过程中发挥着不可或缺的作用。该工厂拥有一条用于生产前体纤维的纺丝线和一条用于生产碳纤维丝束（包括表面处理）的碳化线，利用最新的数字技术加速新产品的开发，将成为英国首个开放式连续碳纤维生产制造工厂。

  • 原文来源：https://www.azom.com/news.aspx?newsID=64302
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  • 《CSIRO：开发优质、高强、低成本的碳纤维》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-08-06
    • 英联邦科学与工业研究组织（简称CSIRO）是澳大利亚的国家科学机构，目前正在开发下一代的碳纤维。 具体而言，其研究人员旨在通过控制聚丙烯腈（PAN）前驱体的分子结构及其生产过程，来确保生产出的碳纤维质量更优、价格更便宜且性能更好。 “到目前为止，碳纤维只实现了10%的理论强度。”CSIRO的碳纤维团队负责人Andrew Abbott表示。 “限制强度的因素主要是纤维的表面缺陷和微观结构，以及前驱体中的杂质。”CSIRO的纤维计量项目负责人Tony Pierlot解释说，“因此，控制前驱体的结构能够提高碳纤维的强度。” 该碳纤维团队组合了CSIRO的高分子化学和纺织技术专业知识（图片来自CSIRO） 2017年，CSIRO与迪肯大学的Carbon Nexus设施（该设施于2013年推出了其碳化生产线）合作，推出了自己的湿法纺丝生产线，用于生产PAN原丝。 CSIRO和Carbon Nexus都是迪肯大学位于吉朗（墨尔本西南约75公里）的Waurn Ponds校区的一部分。 这些组织正在与作为吉朗先进纤维集群一部分的当地复合材料行业展开合作，包括知名的复合材料制造商如Carbon Revolution和Quickstep（同样在Waurn Ponds校区内），以及GMS Composites、Sykes Racing和ACS Composites等。 “CSIRO的研究集中在碳纤维生产的第一步，包括将丙烯腈聚合成聚丙烯腈，然后纺丝并进一步加工PAN 以生产出更高质量、更便宜的原丝纤维。”Abbott解释说。PAN的生产过程，占碳纤维成本的50%，但却决定了碳纤维70%～90%的性能。“迪肯大学的技术涉及碳纤维生产的最后步骤，包括氧化和碳化。”他继续说道，“他们已授权给LeMond Composites公司（美国田纳西州橡树岭）的技术可用于快速氧化，目的是降低这些最后生产步骤的成本。” 为实现其开发下一代碳纤维的目标，CSIRO正在使用一套战略工具，包括：RAFT 聚合、FLOW化学工艺和CarbonSpec计量方法。 “我们的目标是，生产一种强度提高了20%的航空级别的碳纤维。”Abbott表示，该团队希望到2020年底有一些初步结果。 CSIRO碳纤维团队 凭借5000名员工、55个基地、8个业务单元和大约10亿美元的预算，CSIRO 项目涉及的主题广泛，如3D打印、生物聚合物、医用植入物、智能服装、天文/太空探索，且每年有2800多名合伙人加盟。 “CSIRO发明了无线网络并取得了专利，然后用这笔收入资助其他研究。”Abbott解释说。 其55个基地之一位于美国加州的硅谷。CSIRO US让澳大利亚的研究人员参与到美国项目中，以加速太空、农业、节水、野火和智慧城市等领域的科技进步，目的是集聚深入的研究能力和处理各种现实问题的经验，实现开放式的创新合作。 “在复合材料方面，CSIRO开发了新的树脂和工艺技术。”他继续说道，“我们还在复合材料建模和工艺模拟以及碳纤维性能测试方面做了大量研究，比如，我们开发了测量碳纤维横向模量的新仪器，然后我们输入测量结果以改进我们的建模和仿真。” “CSIRO与波音公司拥有30年的战略合作关系。”Abbott说，“我们在2016和2017年被认定为波音的年度技术供应商。”CSIRO的碳纤维团队还与美国密西西比南部大学合作。 湿法纺丝试验生产线 CSIRO的湿法纺丝生产线包括热水喷淋（左上）和控制拉伸用辊（图片来自CSIRO） 为了完成有关碳纤维前躯体的必要研究，CSIRO首先必须建成自己的湿法纺丝生产线。 “世界上只有少数的制造商能生产碳纤维，且每一家都有自己的技术机密和专利配方。”CSIRO的总裁Larry Marshall博士在2017年新的生产线启动仪式上如是说。这条试验生产线由专业生产聚合物和纤维加工设备的机器制造商MAE公司（意大利Fiorenzuola d'Arda）为其订制。“它被设计成像一条商用的生产线，但规模较小。”Abbott解释道。 CSIRO在其博客中用“做意大利面”来描述这条生产线的工作原理。 类似于做意大利面的面团，一种名为dope的聚合物溶液被用于纺制PAN原丝：好比是将面团揉好，然后压制使其通过模头，制成细长的意大利面条。Dope经混合、凝固后，通过多孔的喷丝板以进行纺丝，从而生产出500～12000股不同的PAN纤维，所有这些纤维比人的头发丝还细。在进行缠绕从而进入Carbon Nexus的碳化生产线之前，这些纤维会得到清洗、在辊筒上拉伸、在一系列溶液中稳定，然后是蒸干。 CSIRO的湿法纺丝生产线（图片来自CSIRO） “我们花了很长时间才完全理解了如何制造碳纤维及其前体原料。”Abbott说道，“没有人真的想帮助我们，所以我们只能自己学习。然而，现在我们已经完全控制了前驱体的制备过程，这是关键，然后我们使用碳链进行碳化。” RAFT聚合 RAFT为聚合提供了更多的控制，包括聚合物的大小、组成和结构。它利用聚合物主链中的反应端基来增加功能以及复杂的结构，如接枝、星形和梯度聚合物等（图片来自CSIRO） CSIRO正在使用的另一个工具是其专利的以及商业化的RAFT（可逆加成-裂解链转移）技术。 RAFT是一种复杂的可控自由基聚合形式，能以对成分和结构前所未有的控制能力来实现订制聚合物的合成。 从新型药物输送系统到工业润滑油和涂料，RAFT的应用范围非常广泛，虽然如此，CSIRO的碳纤维团队却用它来控制PAN的聚合过程。 “从单体到聚合物的常规聚合会产生广泛的多分散性，或者说，聚合物链有很多不同的长度。”CSIRO的高分子化学团队负责人Melissa Skidmore说，“但是，如果我们加入RAFT 试剂，现在我们就能得到长度几乎相同的聚合物链，这样，分子量的分布就更窄。我们仍然使用相同的引发剂、单体和溶剂，只是加入了RAFT。” “分子量影响纺丝液的黏度。”Skidmore说，“传统上，dope溶液中较高的分子量导致原丝纤维表面出现沟槽。加入RAFT则降低了dope溶液的黏度，导致更高的固体负荷。去除该聚合物中的超高分子量聚合物，可能带来纤维中更好的分子排列以及性能的改善。”她补充说，低分子量对纤维有塑化作用。 “利用RAFT生产出的PAN聚合物，可以获得更密集、更均匀且结构缺陷更少的前体纤维，这也有助于加速碳化并降低成本。” 利用RAFT生产的PAN聚合物拥有控制更好的分子量，从此图更窄的分布中可以看出（左），从而得到了总分子量较高的dope，但与目前商用的PAN相比，它的黏度仍然较低（右）（图片来自CSIRO） “这也让我们有机会接触到复杂的聚合物结构。”Skidmore表示，“RAFT允许对聚合物基团作进一步的化学处理。”一个可派上用场的例子是，当dope溶液得到处理而凝结成纤维时。“在聚合物溶液的理想特性和混凝条件之间，存在一个微妙的平衡。”她补充道，“该聚合物是95%的 PAN 和5%的添加剂。由于RAFT聚合物的行为不同，我们认为，我们可以减少一些传统的添加剂，将较高百分比的纤维转化为高固体含量的纤维，以减少缺陷。我们正在进行测试。” 尽管目前还不是受关注的焦点，但RAFT依然凭借其能在聚合过程中添加功能而变得非常有趣，比如，研究人员们一直在研究如何制造一种复合材料，使其具有捕获CO2的高吸附性能，也就是说，CO2会附着在复合材料的分子表面。 多功能的复合材料已经受到飞机和电动汽车制造商们的青睐，因此，新型PAN和拥有添加功能的碳纤维可能成为未来复合材料行业的重要解决方案。 连续的FLOW工艺 “利用RAFT，我们可以控制聚合反应。”Abbott说，“但利用FLOW，我们可以对纤维的形成作更多的控制。” 间歇式与流动式聚合反应器示例 FLOW将聚合转化为连续过程而不是间歇过程。 Abbott和Skidmore解释说，虽然目前使用的间歇式反应器已经很成熟，不仅易于设置，还能有效混合和监测反应动态，但需要的容量却比连续加工的反应器更大，这意味着建立工业化规模的间歇式反应器是昂贵的，而且这些大容量的间歇式反应器在占用空间和能耗方面也是低效的。 与间歇式工艺相比，连续加工的反应器更小更便宜，易于扩展，更加节能，可提供卓越的过程控制和更好的再现性。 但是，由于是一条专用的连续生产线，因此在不同的参数和产品之间切换时缺乏灵活性。 此外，还有安全和可持续性方面的优势。 “目前，PAN的生产在环境上是不可持续的，特别是在毒性方面。”Skidmore说，“要持续改善聚合过程的安全性，就要隔离那些有毒、有气味和易燃的反应剂，并用自动化的设备来处理，但这将增加生产线的复杂性，需要采取更高程度的监控。” 虽然还有待进一步发展，但Abbott认为，FLOW聚合技术是积极有效的：“碳纤维本身是可变的，所以你可以做任何能够减少这种可变性以提高性能的事。” CarbonSpec：管理措施 CSIRO的碳纤维方法的最后一个工具是CarbonSpec。“它基本上由我们开发出来，是用来测试我们生产的纤维以更好地理解‘性能-材料’之间关系的计量方法。”Pierlot解释道，“如果你不能衡量它，就不能改进它。我们还能通过对PAN和碳纤维的最少量测试来更好地预测碳纤维的性能。” CarbonSpec是CSIRO碳纤维团队用于理解和预测纤维性能的计量方法，它包括新方法的创建，以及用于测量横向和压缩性能的仪器（图片来自CSIRO） “在碳纤维行业中，标准的做法是，使用同步辐射X射线计算机断层扫描（CT）法测定纤维的微观结构（同步加速器是足球场大小的粒子加速器，能产生非常明亮的X射线，该X射线被定向到相邻的光束线进行成像等）。”Pierlot说，“在澳大利亚同步加速器的光束线工作人员的帮助下，开发了一种新的专用特征描述协议，用于扫描单个PAN前驱体和碳纤维的微观结构，只需几分钟，就能获得直径小于5µm的单个纤维的微观结构图。SAXS信号有助于了解纤维中的孔隙发展情况，而WAXS信号有助于确定优化纤维模量的关键微观结构参数。同时使用这两个信号，我们可以从PAN dope到碳纤维生产这一过程的每个阶段，监控和优化机械强度和刚度。” Pierlot指出，利用CarbonSpec，该团队还在开发新的仪器和测试方法。“比如，除了通常报告的纤维的轴向特性外，我们正在测量横向模量和强度。我们认为，我们可以使用我们为此而开发的新方法来测量轴向压缩强度。”后者长期以来一直是一项挑战，因为单根碳纤维或PAN纤维的直径很小，通常只有5～10µm，这使得在不引起屈曲的情况下施加真实的轴向压应力变得非常困难。 强度提高20%的下一代碳纤维 “我们已经加强了我们对如何将聚合物转化为纤维的理解，现在正在生产商用纤维。”Abbott说，“我们正在将这些技术工具应用于其他前体聚合物以制造SIROPAN，这是使用RAFT技术的CSIRO版本的PAN，现在我们能按公斤生产这种纤维。” “下一步是评估使用RAFT聚合物的好处。”他继续说，“我们还在生产PAN，但我们在降低黏度的同时能更好地控制分子量并增加它，这样才能生产出更强的碳纤维。” 有多强？ “还不确定，但我们的目标是强20%。”Abbott说，“我们知道，强10% 不足以使改变前驱体成为经济上可行的一项改进措施，因此强20%是必要的。” 1. 利用RAFT技术开发新型前体聚合物（优质聚合物或不同的性质）。 2. 开发具有商业竞争力的聚合物工艺（FLOW）。 3. 了解聚合物转化为纤维（湿法纺丝）以降低成本和提高性能。 4. 了解前驱体性能对碳纤维性能的影响，更好地预测碳纤维的性能，根据这些测量和预测优化流程（CarbonSpec）。 5. 通过工程化PAN和碳化纤维，生产适合特殊终端应用的订制碳纤维。 “碳纤维行业正以每年10%的速度增长。”Abbott说，“我们希望与那些对改善碳纤维的质量、性能、成本和可持续性感兴趣的成熟的和新的行业参与者展开合作。” “我们正在测试6种不同的前体配方并将在Carbon Nexus对它们进行碳化。” Skidmore补充道，“我们希望今年年底能有结果。从RAFT聚合物到白色纤维然后再通过碳化需要一段时间。” 这项研究获得了科学和工业捐赠基金的资助。
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  • 《聚焦新时代下的碳纤维如何在高端需求下爆发？》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-01-23
    • 从“7511”会议开始，中国碳纤维技术及产业逐渐发展；本世纪初，碳纤维在国家重视、军和民相关研发及企业单位积极响应下得到了飞速发展，特别是随着一批民营企业的崛起，碳纤维行业不断壮大，技术水平突飞猛进，满足了国内部分需求并具备了一定的国际竞争力。但我国碳纤维在产量与质量上与世界强国仍有差距，碳纤维复合材料应用尚有许多问题待解决。要打破日美垄断，提升在国际碳纤维领域的话语权，碳纤维业界仍需“撸起袖子加油干”。行业发展面临哪些挑战？高端应用瓶颈如何突破？未来发展的着力点在哪？本刊记者近日采访了中国碳纤维及其复合材料领域的带头人——中国工程院院士杜善义。 中国航天科技集团公司高级技术顾问、中国工程院院士　杜善义 从“7511会战”到1亿元专项 1975年11月对于我国碳纤维产业来说，具有里程碑式的意义，时任国防科委副主任的张爱萍上将，主持召开了1975年11月份关于碳纤维的“7511”会议。“碳纤维是军民两用战略性材料，由于各种原因，碳纤维的研发和应用进展不令人满意。在本世纪初，导弹在等碳纤维、火箭在等碳纤维、卫星在等碳纤维、飞机在等碳纤维。”杜善义回忆道，“‘十五’开始，由于有关科学家的重视和建议，国家开始重视碳纤维。师昌绪院士首先给中央领导写信，建议对碳纤维产业发展的支持要提升到国家层面。之后，我和黄瑞松院士也给中央有关领导写信，反映了我国碳纤维的现状，并建议加快发展，尽快满足急需。在此情况下，科技部设立了碳纤维的专项。”尽管当时的专项基金很有限，但却充分调动起了碳纤维研发单位特别是民营企业的积极性，一批企业开始从事碳纤维的研发。 “‘十五’至今的17年时间，碳纤维的发展可谓突飞猛进。”杜善义对近几年的行业发展情况这样评价：我国建立起了一批以威海拓展、常州中简、连云港神鹰、镇江恒神等民营企业为代表的碳纤维企业。碳纤维技术已被攻克，具备了由低端至高端的碳纤维研发和生产能力；国产碳纤维及其复合材料已在航空航天及其他领域得到应用。国内一些有基础的碳纤维企业在产量和质量不断提高的同时，也出现一些新型的碳纤维产业。以威海荣成市与康得集团出资建设的碳谷项目，预计2023年建成后，具备年产6.6万吨碳纤维的能力。“所以从这些方面来看，中国碳纤维正处于一个蓬勃发展的关键阶段。特别是最近这十几年的发展有基础、有底气、有产能、有产量、有质量。”杜善义表示。 从跟随走向引领 杜善义坦言，虽然进入新世纪，我国碳纤维产业面貌日新月异，但若想打破日美垄断，推动碳纤维及复合材料产品和应用创新从跟随走向引领，需要跨越以下几道门槛： 一是产不足需，规模化水平有限。碳纤维虽然国内产能超过万吨，但产量不足，初步看仅有两三千吨。以2016年为例，国内需求在两万吨左右，占世界的1/4左右。供应缺口明显，规模化水平有待提升。“产量上不去，主要是产业化程度还不高。企业运作要考虑资本的问题，也比较担心产出后在国内卖不出去，国外市场又难以打开。”杜善义分析道。 二是成本高。为什么成本高？杜善义认为，主要是许多碳纤维企业的设备，例如聚合炉、氧化炉、低温碳化、高温碳化或者石墨化设备等，目前仍然依赖进口；用量较少，开工率低，必然促使成本高。 三是下游局面未打开。要打破此种局面，关键是要解决碳纤维及其复合材料如何应用的问题。要会用、敢用、好用、多用。 “目前来看，差距主要是体现在产业的规模、成本、产品质量稳定性等，从技术上来看，差别并不大。”杜善义表示。为促进碳纤维产业的发展，科技部2017年发布的《“十三五”材料领域科技创新专项规划》将碳纤维及其复合材料列为重点方向之一。 从“贵族材料”向“平民材料” 恰逢其时 杜善义认为，航空航天、汽车、能源、海洋工程、轨道交通等将成为拉动碳纤维及其复合材料应用增长的重点领域。从全球来看，整个碳纤维和复合材料的增量比其他材料高，逐渐在很多领域取代一些传统材料。“过去我们主要在国防与航空航天应用，先进复合材料被认为是‘贵族材料’，现在来看，能源、交通、海洋工程的应用不断增长。从‘贵族材料’逐渐向‘平民材料’发展，恰逢其时。随着碳纤维及其复合材料产业的成熟壮大以及下游产业的升级，平民化的需求将越来越迫切，用量也将迎来爆发式增长。” 我国碳纤维及其复合材料在航天航空领域的应用占比与全球20%的平均水平相比偏低。“从国内来看，在航天领域应用比较多。航天固体火箭发动机已经实现复合材料化，卫星85%以上是用复合材料，飞船、导弹弹体基本都是复合材料，但由于行业特点，总量并不大，增量有限。”国内航空领域的无人机、直升机、商用飞机、公务机的数量不断增加，碳纤维复合材料在这些领域的用量会逐渐上升。在C919上，复合材料用量已实现了一定的突破，达到12%左右，应用于平尾、垂尾、后机身等重要部位。歼击机与直升机等的复合材料用量也在不断增加，但仍有较大提升空间。飞机上复合材料的用量代表了技术的先进程度和竞争力。因此，未来的C929飞机，对复合材料的应用要提升至50%以上，飞机结构复合材料化是未来的大势所趋。“为追求装备本身的先进性和国际化的竞争力，现在航空航天都在重视这件事，碳纤维复合材料的应用比例会随之迅速攀升。”杜善义认为。 在汽车领域，碳纤维复合材料的应用潜力更大。2016年中国汽车销量为2803万辆，比上年增长14.1%，2025年预计达到3500万辆。如果每辆汽车使用1千克碳纤维，每年仅汽车行业就需要3万多吨碳纤维。当前，国内整车厂和碳纤维生产企业，都十分注重汽车零部件用碳纤维复合材料的研究。杜善义认为，未来电动汽车的全面推广对碳纤维复合材料的应用将有更大促进作用：“电动汽车更要轻量化，因为电池本身就很重，其他零部件和车身必须要轻，不然续航里程上不去。这方面的需求很迫切。” 杜善义表示，汽车行业对碳纤维的应用需要一个循序渐进的过程。整车厂关心成本和回收的问题，并且原有生产线都是按照铝合金等材料部件来设计的，现在改成复合材料后，生产线的变化也需要经历一段时期，但汽车行业已经将其提上日程。 与此同时，我国还开发了轨道交通材料内饰、司机室夹层结构和大型承力转向架结构技术；我国复合材料风电叶片年均需求量将超过1.4万套，目前已完成7MW级风电叶片的设计和生产。这些都为碳纤维复合材料的大面积推广奠定了基础。 让贵族材料平民化，要追求的不仅仅是低成本。促进我国碳纤维产业国际竞争力的提升，低水平重复建设并不是解决之道，扩大平民化的用量才是碳纤维行业中的有志之士应该思索的。
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