被碳纖維行業遺忘的角落，中間相瀝青基碳纖維產業化應用還有多久

瀝青基碳纖維介紹

瀝青基碳纖維按其性能差異可分爲通用級瀝青基碳纖維和高性能瀝青基碳纖維，前者由各向同性瀝青製備，又稱各向同性瀝青基碳纖維，後者由中間相瀝青製備，又稱爲中間相瀝青基碳纖維。

通用級瀝青碳纖維所用的紡絲原料瀝青爲各向同性瀝青，其拉伸強度通常在1.0GPa以下，拉伸模量通常在30~50GPa之間。產品形式有軟氈、碳布、碳紙、絮狀材料及粉狀材料等，主要用作高溫熱場的隔熱材料、電池的電極材料、水泥增強材料等。

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高性能中間相瀝青碳纖維

高性能中間相瀝青碳纖維與PAN基碳纖維相比，具有高模量和高導熱的性能優勢，例如湖南東映碳材料科技有限公司牌號爲TYG-1碳纖維拉伸強度爲2.5GPa，拉伸模量爲890GPa，熱導率高達600W·m-1·K-1，綜合性能優異，主要作爲功能材料使用。

圖片來源：東映碳材料

高性能中間相瀝青基碳纖維通常以煤焦油瀝青、石油瀝青、精萘等爲原料，其製備工藝流程長，多學科交叉。主要包括：高純可紡中間相瀝青的調製、熔融紡絲、預氧化、低溫碳化、高溫碳化、石墨化、表面處理、上漿及乾燥等過程，而這其中高純可紡中間相瀝青的調製、瀝青纖維的連續熔融紡制及連續熱處理是高性能中間相瀝青基碳纖維製備過程中的難點。

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高性能中間相瀝青碳纖維應用概述

高性能中間相瀝青基碳纖維是碳纖維中的佼佼者，具有高模量和高導熱優勢，複合材料部件可以通過手糊成型、噴射成型、纏繞成型、拉擠成型、熱壓罐成型、樹脂傳遞成型（RTM），模壓成型，注塑成型，真空袋成型、吹氣成型等，被廣泛應用於高超聲速飛行器的熱端部件、空間飛行器的大面積薄板結構、電子儀器倉的散熱部件、新一代智能機器人的力臂等領域，在航空航天裝備、尖端工業裝備、電子產品等上實現輕量化的同時，既能作爲結構材料承載負荷，又能作爲功能材料防熱和導熱，而且兼具零膨脹或負膨脹的特性，是一款極具發展前景的結構功能一體化材料，其主要應用領域如下。

3.1高超聲速飛行器熱端部件

高超聲速飛行器是指飛行速度超過5馬赫的飛機、導彈、炮彈等有翼或無翼的飛行器，其特點是無與倫比的快速打擊和遠程投送能力。高超聲速飛行器飛行過程中與大氣發生強烈的交互作用，氣流損失的動能轉化爲熱能，飛行器的熱端部件，例如鼻錐、機翼前緣和超燃衝壓發動機燃燒室等，表面溫度急劇升高。這些部件除了需要承受高達2000~3000ºC超高溫和高速氣流的熱負荷衝擊，還需要在劇烈的燒蝕環境下保證控制精度，從而保證飛行器的高升阻比和氣動外形，對熱防護材料的要求十分嚴苛。以中間相瀝青基碳纖維爲增強體的高導熱C/C除了耐高溫性能和機械性能優良，還具有較高的導熱係數（可達300W/m·K以上），可以把熱端部件的部分熱量快速傳遞至後端服役環境不是很苛刻的地方，從而顯著降低材料表面的燒蝕溫度，減小熱梯度和熱應力集中，提高熱端部件的可靠性；另外中間相瀝青基碳纖維的熱疏導作用也爲高超聲速飛行器向更高馬赫數的發展提供了可能。

圖1 高導熱C/C複合材料可顯著降低熱端材料的燒蝕溫度

3.2 人造衛星散熱構件及空間光學結構

由於衛星所處的宇宙空間是真空環境，衛星本體結構容易受到日照日陰差和星載儀器發熱的影響，在單個結構系統中也會產生超過100ºC的交變溫差。在如此惡劣的溫度環境下，衛星只有保證尺寸穩定才能實現穩定的通信和觀測業務。傳統的PAN基碳纖維CFRP複合材料導熱性比金屬材料差，因此在裝備大量發熱設備的結構面板等構件時，只能犧牲尺寸穩定性而採用導熱性良好的鋁合金（180~220W/m·K）。使用中間相瀝青基碳纖維製備的高導熱碳纖維樹脂基（CFRP）複合材料，彈性模量最大可達560GPa，熱導率可達480W/m·K，足以保證熱量在大尺寸構件上分散均勻，實現衛星的姿態穩定和搭載設備的高精度指向。目前中間相瀝青基碳纖維CFRP已經成功應用在衛星的中央圓筒、太陽能電池板、衛星拋物面天線和相機支架等部件上。

相機支架

本體結構

圖2 中間相瀝青基碳纖維在人造衛星上的應用

3.3 相控陣雷達

有源相控陣(AESA)技術是當前雷達技術發展的一個新趨勢、新方向。相控陣雷達與傳統機械掃描雷達相比，掃描更靈活、性能更可靠、抗干擾能力更強，能快速適應戰場條件的變化，已廣泛用於地面遠程預警系統、機載和艦載防空系統、機載和艦載系統、炮位測量、靶場測量等。相控陣（相位可控的整列）雷達的相控陣天線由100~10000個輻射單元排列組成，每個單元的饋電相位均可靈活控制，改變了天線輻射電磁波的波陣面指向。

圖3 相控陣雷達

有源安裝板是星載有源相控陣雷達的關鍵零部件，其上集成了數目衆多的收、發組件和元器件，組裝密度高，功率密度大。高精度有源安裝板通常採用鋁蜂窩夾層和高導熱蒙皮複合而成，高導熱蒙皮由中間相瀝青基碳纖維製備，既能保持高尺寸精度，又能快速疏導高功率電子元器件產生的熱量，是實現星載/機載天線機熱一體化的重要途徑。

3.4 5G散熱

近年來，隨着5G通信技術的應用及推廣，對導熱材料提出了更高的要求，對導熱材料的需求預計也會出現成倍的增長。5G 芯片的計算能力要比現有4G芯片高至少5倍，功耗大約高出2.5倍，5G作爲高速高功率通信技術，對導熱要求極爲苛刻，傳統的導熱墊片技術在提升熱導率方面遇到了一些瓶頸。通過對中間相瀝青基碳纖維的陣列定向製得的硅膠導熱墊片，已經從最高10 W/m·K的導熱水平，提高到50 W/m·K。這是一種顛覆性的提升，不僅是在5G應用領域，甚至是未來6G領域，很可能也將會採取這種定向導熱方案。

圖4 碳纖維在5G熱界面材料上的應用

3.5 其他應用

圖5 太陽能飛機（左）和ATR機箱（右）

以上內容由湖南大學葉崇老師提供！

中間相瀝青基碳纖維具有超高模量、超高導熱及導電性，在航空航天、5G導熱、工業機器人以及現代高端裝備等領域具有重要意義。經過近幾年的快速發展，部分企業終於掌握了中間相瀝青基碳纖維製備的關鍵技術，實現了國產化的初步突破。但中間相瀝青基碳纖維產業化應用方面仍面臨諸多問題。

基於此，DT新材料聯合各企業及科研院所在第六屆國際碳材料大會（12月13-15日，上海）期間特召開第二屆中間相瀝青基碳纖維內部研討會，交流行業發展問題，促進應用開發。

特邀主題報告

報告嘉賓：葉崇，湖南大學研究員/湖南東映碳材料科技有限公司總工程師

圓桌討論

主持人：宋懷河 北京化工大學教授

圓桌嘉賓

黃啓忠，中南大學教授（碳/碳複合材料領域專家）

馮威，成都大學院長/教授

呂永根，東華大學教授

葉崇，湖南大學研究員/湖南東映碳材料科技有限公司總工程師

孫海成，陝西天策新材料科技有限公司副總經理

常旭升，遼寧諾科碳材料有限公司總經理

鄧文廣，山東常任新材料有限公司副總經理

參考話題：

1. 中間相瀝青基碳纖維原料選擇、上漿劑的匹配等問題

2. 中間相瀝青基碳纖維產業化發展問題

3. 中間相瀝青基碳纖維航空航天領域應用

4. 高導熱中間相瀝青基碳纖維在5G導熱散熱中的應用探索

5. 中間相瀝青基碳纖維在高精度工業機械領域應用探索

6. 如何加強中間相瀝青基碳纖維的應用研究？

7. 如何挖掘和開發潛在的應用市場？

8. 低成本中間相瀝青碳纖維的途徑有哪些？

自由交流

在自由交流環節，參會企業嘉賓與科研專家、投融資機構及下游潛在用戶單位等就中間相瀝青基碳纖維行業問題作進一步對接溝通。本次研討會旨在搭建一個企業、資本、用戶單位深度交流溝通的平臺，行業專家、企業大咖共謀合作、共話未來。

重點邀請參與單位

東映碳材、陝西天策、遼寧諾科、上海碳束實業、寶武碳材、長隆科技、易高環保、山東瑞城、濟寧科能、鞍山開炭熱能新材料、山東常任新材料、中科院山西煤化所、天津大學、東華大學、天津工業大學、大連理工大學、武漢科技大學、湖南大學、北京化工大學、常州京洋半導體材料科技有限公司、艾聯（上海）汽車零部件有限公司、山西梗陽投資集團有限公司、中國輻射防護研究院、中國石化大連石油化工研究院、庫卡機器人上海有限公司、ABB（中國）有限公司、偉本智能機電（上海）股份有限公司、中國商飛、中國兵器工業集團第五三研究所……