日本东丽公司碳纤维缺陷控制技术

日本东丽公司作为全球碳纤维企业领军者，长期占据着全球碳纤维销量榜首位置，从上篇碳纤维突破性技术发展史可以看出，日本东丽公司起步于民用腈纶技术，并在碳纤维用PAN原丝领域进行了深入探索，而得益于其优质原丝技术，再加上从美国引进的先进氧碳化设备和技术，迅速确立了碳纤维领域优势地位。

日本东丽碳纤维发展经历漫长过程，其代表产品从1971年问世，一直到80年代初定型，研发历程长达10年，主要重心就是在保证碳纤维拉伸模量稳定在230GPa情况下，实现碳纤维拉伸强度由2.80GPa提高到3.53GPa，随后日本东丽碳纤维快速发展形成了T系列、M系列、MJ系列碳纤维，日本东丽碳纤维产品发展历程如下图1所示。

图1 日本东丽公司碳纤维性能发展历程

碳纤维的拉伸强度主要取决于缺陷结构（详见：碳纤维缺陷尺寸与力学性能定量关系），由于碳纤维是脆性材料，并且易于在缺陷处产生拉伸破坏，因此纤维缺陷结构越大，越容易发生拉伸破坏。 因此，减小缺陷的尺寸和数量是提高抗拉强度的关键。 

通过大量实验研究表明，碳纤维的拉伸强度直接取决于纤维的孔隙直径、缺陷尺寸等缺陷结构，纤维拉伸强度与缺陷结构规律如图2所示，从中可以看出通过减小纤维中孔隙的大小和纤维表面的缺陷，可以提高拉伸强度。

图2 碳纤维拉伸强度与缺陷结构之间关系

对于碳纤维而言，纤维表层拉伸模量要高于纤维内部区域的拉伸模量，因为纤维微晶结构与表面平行，而且在氧化过程中PAN原丝的氧化也从表面进行。而在氧化和碳化过程中，施加的牵伸张力倾向于集中在纤维表面区域中，从而导致纤维表面产生额外的缺陷。因此，表面缺陷结构的控制对于提高碳纤维的拉伸强度极其重要。

在碳纤维研制早期阶段，碳纤维中存在一些孔隙结构。经过研究发现，通过提高聚合物纯度、并有效防止金属等外来元素污染，可以有效减少孔隙。而在PAN纤维纺丝或碳化过程中，纤维表面缺陷结构可以通过表面间黏连或摩擦产生。

在后续工作中，日本东丽公司通过碳纤维生产过程中工艺设计和优化，实现了纤维内部缺陷结构由微米级-亚微米级向纳米级转变，如图3所示，从而实现了拉伸强度的历史性改进，最终制备得到拉伸强度7.0GPa的高强碳纤维。

图3 日本东丽碳纤维内部缺陷尺寸变化过程

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