PAN 基碳纖維作為碳纖維家族中的重要一員，其發(fā)展歷程充滿了突破與創(chuàng)新。
由于兼具高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐疲勞、耐腐蝕等系列優(yōu)異特性，聚丙烯腈（PAN）基碳纖維作為結(jié)構(gòu)與功能材料在航空航天、體育休閑、汽車工業(yè)、建筑工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
一、“PAN 基碳纖維的誕生與成長”
PAN 基碳纖維的故事始于上世紀(jì)中葉。早期，其性能和質(zhì)量尚不穩(wěn)定，市場應(yīng)用也極為有限。但科研人員的不懈努力逐漸改變了這一局面。
在 20 世紀(jì) 60 年代，PAN 基碳纖維的拉伸強(qiáng)度僅為 1000MPa 左右，模量約為 100GPa。然而，經(jīng)過幾十年的技術(shù)積累和創(chuàng)新，到了 20 世紀(jì) 90 年代，其拉伸強(qiáng)度已經(jīng)提升到了 3000MPa 以上，模量也超過了 200GPa。
二、“技術(shù)突破：從理論到實(shí)踐”
為了提高 PAN 基碳纖維的性能，科研人員在多個環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入研究和創(chuàng)新。
在原材料方面，PAN 原絲的質(zhì)量至關(guān)重要。通過優(yōu)化聚合工藝，控制 PAN 分子的結(jié)構(gòu)和分子量分布，可以顯著提高原絲的品質(zhì)。例如，某企業(yè)通過改進(jìn)聚合配方，使 PAN 原絲的強(qiáng)度提高了 15%。
在碳化和石墨化過程中，精確控制溫度、張力和氣氛等參數(shù)是關(guān)鍵。一些先進(jìn)的生產(chǎn)工藝能夠?qū)⑻蓟瘻囟忍岣叩?1500℃以上，從而有效改善碳纖維的結(jié)構(gòu)和性能。據(jù)統(tǒng)計，采用新型碳化工藝后，碳纖維的拉伸強(qiáng)度平均提升了 20%左右。
表面處理技術(shù)的進(jìn)步也為 PAN 基碳纖維的應(yīng)用拓展了空間。通過等離子體處理或化學(xué)氣相沉積等方法，可以改善碳纖維與樹脂基體的界面結(jié)合性能，提高復(fù)合材料的整體性能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過優(yōu)化的表面處理技術(shù)可使復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度提高 30%以上。
三、“第三代高性能碳纖維的崛起”
進(jìn)入 21 世紀(jì)，第三代高性能 PAN 基碳纖維成為了研究的焦點(diǎn)。
第三代碳纖維的拉伸強(qiáng)度普遍超過 6000MPa，模量達(dá)到 350GPa 以上。
四、“應(yīng)用拓展：從航空航天到日常生活”
隨著 PAN 基碳纖維性能的不斷提升，其應(yīng)用領(lǐng)域也在迅速拓展。
在航空航天領(lǐng)域，PAN 基碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼和發(fā)動機(jī)部件等。據(jù)統(tǒng)計，一架先進(jìn)的客機(jī)使用碳纖維復(fù)合材料的比例可達(dá)到 50%以上，顯著減輕了飛機(jī)重量，降低了燃油消耗。例如，波音 787 客機(jī)的碳纖維復(fù)合材料使用量超過了 50%，使得機(jī)身重量減輕了約 20 噸，燃油效率提高了約 20%。
在汽車行業(yè)，碳纖維部件的應(yīng)用逐漸增多。一些高端跑車和電動汽車采用碳纖維車身結(jié)構(gòu)和零部件，不僅減輕了車重，還提高了車輛的性能和續(xù)航里程。
在體育用品領(lǐng)域，碳纖維制造的自行車、球拍和高爾夫球桿等產(chǎn)品深受消費(fèi)者喜愛。一款高性能碳纖維自行車車架的重量可以低至 800 克，比傳統(tǒng)鋁合金車架輕約 500 克，提升了騎行速度和操控性。
此外，在醫(yī)療器械、能源領(lǐng)域和建筑行業(yè)等，PAN 基碳纖維也展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。
五、PAN基碳纖維的主要制造商
經(jīng)過半個多世紀(jì)發(fā)展，碳纖維制造商也經(jīng)歷了幾番變化。20世紀(jì)70—90年代，日本、歐洲、美國有10余家企業(yè)加入碳纖維研制與生產(chǎn)浪潮中，但不到半數(shù)保留下來，旭化成、BASF、Courtaulds等知名的企業(yè)最終選擇了退出碳纖維領(lǐng)域。
進(jìn)入21世紀(jì)后，以東麗、帝人、三菱化學(xué)為代表的日本企業(yè)持續(xù)做大做強(qiáng)，除了擴(kuò)大本土業(yè)務(wù)，也兼并了不少歐美公司，如東麗收購了原美國第二大碳纖維制造商Zoltek、三菱化學(xué)收購Grafil、帝人收購Akzo等。
六、“挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存的未來”
盡管 PAN 基碳纖維取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。
在技術(shù)方面，進(jìn)一步提高碳纖維的性能和穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，仍是亟待解決的問題。目前，第三代高性能碳纖維的生產(chǎn)成本仍然較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。
在市場方面，國際競爭日益激烈，需要不斷創(chuàng)新和提升產(chǎn)品質(zhì)量，以滿足不同領(lǐng)域的需求。
然而，隨著科技的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)拓展，PAN 基碳纖維也迎來了眾多機(jī)遇。新能源汽車、5G 通信和智能制造等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將為碳纖維提供更廣闊的市場空間。
我國在 PAN 基碳纖維領(lǐng)域也制定了一系列發(fā)展規(guī)劃和政策支持，有望在未來實(shí)現(xiàn)從跟跑到并跑甚至領(lǐng)跑的跨越。
總之，PAN 基碳纖維的發(fā)展充滿希望和挑戰(zhàn)。在全球科研人員和企業(yè)的共同努力下，相信它將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類的科技進(jìn)步和生活改善做出更大貢獻(xiàn)。
