单晶硅制造技术林明(被誉为‘‘黑色黄金’’的碳纤维（深度科普）)

碳纤维是一种性能优异的纤维材料，经过原丝生产和碳丝生产两大步骤制造而成，主要的生产设备有氧化炉、低温碳化炉、高温碳化炉等。碳纤维最早起源于1879年，经历了一个多世纪的发展现在广泛应用于航空航天、体育用品、风力发电、压力容器等多个领域。碳纤维的主要优点是强度高、密度小、耐高温、耐腐蚀等特性，按照不同的分类方式可分为小丝束、高强型、PAN（聚丙烯腈）基等多个种类。目前日本的3家碳纤维公司占据了全球近50%的市场份额，国内的主要公司包括光威复材、中简科技、中复神鹰等。

发展历史：

在1879年爱迪生用纤维素纤维首次制得碳纤维，但是由于制备技术普遍不高，未能获得发展。20世纪50年代初随着火箭、航空等尖端技术的发展，碳纤维开始受到广泛关注，1956年美国联合碳化物公司推出的"Thornel-25"碳纤维成为商业化成功的典范。20世纪60年代初，日本先人进藤昭男发明了以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料制取碳纤维的方法，1965年日本碳公司工业化生产普通型聚丙烯腈基碳纤维成功。之后，日本和美国的几家公司在1969至1982年期间，相继开发了聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维等高性能产品，并不断提高它们的强度和模量水平。1980年后是沥青基碳纤维的盛行期，同时碳纤维的技术水平也得到了较大的提升。21世纪以来，随着技术成熟成本下降，碳纤维下游应用迅速扩展，覆盖到航空航天、体育用品、油气开发、风力发电、压力容器等多个领域。

生产过程：

1.原丝生产：

聚合工段：

通过将原料丙烯腈单体、共聚单体、引发剂偶氮二异丁腈和溶剂DMSO（二甲基亚砜）按照一定配比投料进入聚合釜，在一定温度下进行溶液聚合反应，随后进行脱单、脱泡等处理得到聚丙烯腈原液。

纺丝工段：

聚丙烯腈原液通过干喷湿纺或湿法纺丝技术形成原丝，根据喷头的选择可决定丝束的大小，1000/3000/4000/6000个细孔的喷头，对应喷丝可以制得1K、3K、6K、12K、24K等型号原丝。喷丝产生的丝束在凝固浴中凝固成型，成型后的原丝再经过多段水洗，降低原丝中DMSO的残留量。随后进行热水牵伸，再经过上油、干燥致密化，达到防黏隔离和降低摩擦的作用。最后再经过蒸汽牵伸工段，最终原丝卷绕成轴。

目前主流工艺有湿法纺丝及干喷湿纺两种。湿法纺丝是指纺丝原液从喷头喷出后，直接进入凝固液中；而干喷湿纺则是原液在喷出后，先经过一段空气层，然后再进入凝固液。干喷湿纺纺丝速度较快，且产生的原丝缺陷较少，主要用来生产小丝束碳纤维原丝。然而由于干喷湿纺生产的原丝的单锭线密度较低，无法实现大产能，因此生产大丝束碳纤维原丝时一般使用湿法纺丝。

2.碳丝生产：

成品原丝经多段氧化炉在空气气氛下反应得到预氧丝，预氧丝在氮气保护下，分别经过低温碳化、高温碳化得到碳丝。随后经表面处理后进行上浆，最后经烘干得到高强型碳纤维产品。若要进一步提升产品的弹性模量，将高强型、高强中模型碳纤维在惰性气氛下经2,000℃以上的温度石墨化处理，再经过表面处理、上浆和干燥处理，得到石墨纤维。

生产过程中的技术要点：

1.原丝质量

原丝质量既决定了碳纤维的性质，又制约其生产成本，优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件。

2.缺陷控制

杂质缺陷最少化是提高碳纤维拉伸强度的有效措施，杂质和缺陷在很大程度上会影响原丝的一致性，对碳纤维强度影响很大。在某种意义上说，提高强度的过程实质上就是减少、减小缺陷的过程。

3.预氧化处理

预氧化处理是碳纤维制备流程中耗时最长的一道工序。在预氧化过程中，通常而言需要维持氧化炉温度200°C至300°C一到两个小时。目前碳纤维产品竞争的核心已经从性能开始向成本转移。如何在保证均质化的前提下，尽可能缩短预氧化时间以降低生产成本，是技术进步的一个重要方向。

4.高温技术和设备

高温炭化温度一般需要1300到1800℃，石墨化一般需要2500到3000℃。在如此高的温度下操作，既要连续运行、又要提高设备的使用寿命，所以研究新一代高温技术和高温设备就显得格外重要，如在惰性气体保护、无氧状态下进行的微波、等离子和感应加热等技术。

生产设备：

碳纤维生产线由放纱架、氧化炉组、低温碳化炉、高温碳化炉、表面处理浴池、上浆浴池、干燥机、卷绕机等组成，实现对PAN基碳纤维原丝连续多道热处理和后续处理，得到高性能碳纤维。在众多碳纤维生产设备中，氧化炉与碳化炉是生产线的主体设备，也是最关键设备。在制造PAN基碳纤维过程中，结构会经过两次重大变化，有机原丝才能转化为无机碳纤维，一次是在预氧化过程中，使PAN的线型分子链转化为耐热梯形结构的预氧丝，一次是在碳化过程中，由梯形结构转化为碳纤维的乱层石墨结构。

主要性质：

1.强度高，模量高

抗拉强度在3,500MPa以上，弹性模量在230GPa以上。

2.密度小，比强度高

密度是钢的1/4，是铝合金的1/2，比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍。

3.耐超高温

在非氧化气氛条件下，可在2,000°C时使用，在3,000°C的高温下部分熔融软化。

4.耐低温

在-180°C低温下碳纤维依旧具有弹性。

5.耐腐蚀

对一般的有机溶剂都具有良好的耐腐蚀性，能耐浓盐酸、磷酸、油等物质侵蚀，其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。

6.热膨胀系数小，导热系数大

可以耐急冷急热，即使从3,000°C的高温突然降到室温也不会炸裂。

分类：

1.按产品规格分类

碳纤维按产品规格的不同被划分为小丝束和大丝束，碳纤维大丝束和小丝束划分的根本来源于碳纤维原丝数量，如1K、3K、6K、12K、24K和48K等，K就是千的意思。一般来说，小丝束碳纤维是指原丝数量每簇不超过24,000根的碳纤维，目前主要用于国防军工等高科技领域（如飞机、导弹、卫星等）；大丝束碳纤维一般指丝束在48,000根以上的碳纤维，成本及售价相对于小丝束均较低，适用于对成本比较敏感的领域，如风电、压力容器等。

2.按原丝类型分类

碳纤维按照原丝类型的不同可以分为PAN（聚丙烯腈）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中PAN基碳纤维由于高碳产率和优越的性能，目前产量约占全球碳纤维总产量的90%以上。沥青基原丝由从石油沥青、煤焦油或聚氯乙烯中提取的多环芳烃制成。由于原料来源比较丰富，沥青基碳纤维成本较PAN基具有一定的优势，然而由于其原材料调制复杂且产品的性能较低，目前产量份额不足10%。粘胶基原丝是制造碳纤维最古老的原料之一，但因为粘胶基原丝碳纤维转化率较低且由于拉伸石墨化的额外成本而导致成本较高，目前已被边缘化，产量份额约为1%。

3.按力学性能分类

从力学性能划分，可以分为高强型（GQ）、高强中模型（QZ）、高模型（GM）、高强高模型（QM），其中高强指拉伸强度大于3,500MPa，高模量指拉伸弹性模量大于350GPa。

主要应用领域：

碳纤维主要应用在风电叶片、体育休闲、航空航天、碳/碳复材等领域。

1.风电领域

在风机大型化背景下，叶片轻量化是必然趋势。由于碳纤维具备高比强度及高比模量的特殊性能，其在叶片中的应用可以在保证叶片强度的同时降低重量，实现更大扫风面积和更小的机组负荷，提升机组的发电效率。因此相较于玻璃纤维，碳纤维是更为理想的叶片材料。

2.航空航天领域

碳纤维材料由于自身结构轻量化、耐用性良好，被广泛运用在机翼、口盖、前机身、中机身、整流罩等。此外，碳纤维还可用于推进系统中的燃料储存、气瓶和火箭推进器等。

3.体育休闲领域

碳纤维由于具有高强度和低重量的特点，在体育休闲领域也有广泛应用。例如，制造高端自行车车架和滑板、滑雪板等运动装备时常常用到碳纤维材料，这不仅能够提高产品强度和耐久性，还可以减少整体重量，提升运动员的表现。

4.碳/碳复材领域

碳/碳复材是以碳纤维或者石墨纤维为增强体，以碳或者石墨为基体的复合材料，主要应用于刹车盘、航天部件以及热场部件，在单晶硅炉内，主要有碳毡功能材料和坩锅、保温桶、导流通、加热器等用到碳碳复材结构材料。

碳纤维主要公司：

国外公司：

从产能分布上，小丝束产品主要集中在日本企业，大丝束产能则主要在欧美。日本企业在全球小束丝碳纤维市场上有绝对优势，2020年日本企业全球市场份额达到49%。全球大束丝碳纤维市场集中度更高，基本被美国Hexcel和德国SGL两家控制，2020年二者全球市场份额分别为58%、31%。

国内公司：

目前国内碳纤维主要生产商包括中简科技、光威复材、中复神鹰、上海石化、新疆隆炬、吉林国兴、吉林宝旌、恒神股份、新创碳谷等。

中简科技：

目前具备高强型ZT7系列（高于T700级）、ZT8系列（T800级）、ZT9系列（T1000/T1100级）和高模型ZM40J（M40J级）石墨纤维工程产业化能力，并陆续突破T1100、M55J和M60J高强高模碳纤维制备技术。其中，ZT7系列碳纤维产品打破了发达国家对宇航级碳纤维的技术装备封锁，各项技术指标达到国际同类型产品先进水平，已被批量稳定应用于我国航空航天八大型号，公司已成为国内航空航天领域ZT7系列碳纤维产品的批量稳定供应商。

光威复材：

公司主营产品分为：

1）碳纤维：公司已规模化生产的主要产品有高强型碳纤维，包括GQ3522、GQ4522

等；高强中模型碳纤维，包括QZ4526、QZ5026、QZ5526等；高模型碳纤维，包括GM3040、GM3045等；高强度模型碳纤维，包括QM4035、QM4040等；

2）碳纤维织物：主要产品包括平纹、缎纹、斜纹等各类型碳纤维机织物及经编织物；

3）预浸料：主要包括单向碳纤维预浸料、单向玻璃纤维预浸料、碳纤维机织物预浸料等；

4）碳纤维复合材料制品

5）机械制造：全资子公司光威精机主要为光威复材及拓展纤维提供成套生产设备的设计、制造和安装以及生产线建设服务，主要产品有氧化炉、高温碳化炉、预浸料设备等。

中复神鹰：

公司的历史数据显示，SYT45（T300级）、SYT45S（T700级）、SYT49S（T700级）三个型号为公司的主要收入来源，21年上半年三者的收入占比分别为25%、8.4%、46%；产品价格方面，21年上半年三者均价分别为22.04、13.87、17.30万元/吨，其中SYT45型号以3K级小丝束为主，生产难度较大且性能独特，价格高于强度更高的SYT45S、SYT49S两类；

行业分布方面，SYT45主要应用于风电叶片和体育休闲领域，SYT45S主要应用于交通建设和体育休闲领域，而在航空航天领域在下游客户天鸟高新的加持下，利润迅速增长，SYT49S作为公司收入占比最高的产品，主要应用于碳碳复材、压力容器、体育休闲、航空航天、风电叶片等领域。

吉林碳谷：

吉林碳谷是我国大丝束碳纤维原丝龙头。公司在原奇峰化纤20年腈纶制备经验基础上，创造性发明DMAC为溶剂的湿法两步法原丝生产技术，从而打破国际碳纤维巨头在原丝生产技术上的垄断，具有质量和成本优势，目前公司可以实现全部产品碳化后达到T400级别的稳定大规模生产。

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