碳纤维是一种非常独特的材料。凭借其高强度、高刚度和低重量，它们为各行各业提供了一系列创新的轻量化解决方案：从航空航天到汽车的超轻车身组件，电动汽车电池盒，再到自动变速器摩擦片等等。但碳纤维的原材料是什么？在本期文章中，SGL Carbon业务部门碳纤维技术负责人Andreas Wöginger博士将会介绍碳纤维前驱体的制造过程。
碳纤维是由什么制成的？
Wöginger：“碳纤维的生产是一个高科技制造过程。原材料也就是所谓的前驱体是一种白色的聚合物纤维，自2016年以来，SGL Carbon公司一直在位于拉夫拉迪奥的葡萄牙工厂生产，这里有两条纺丝线用于生产碳纤维的前驱体。”
什么是前驱体？它是如何产生的？
Wöginger：“初，前驱体类似于纺织合成纤维。这一切都始于塑料行业中常见的聚合物——聚丙烯腈（PAN）。聚丙烯腈是生产碳纤维的理想前驱体材料，因为它具有规则的聚合物结构和极高的碳收率。由这种材料制成的细纤维，即所谓的PAN前驱体。”
这个步骤是如何实现的？
Wöginger：从头说起，PAN的基础是单体丙烯腈（AN），它与适当的共聚物一起，在反应器中产生白色颗粒，然后分离和洗涤，将粒料干燥后加工成粉末，即：PAN聚合物。这种聚合物与溶剂混合，形成一种浆液，然后通过带有50000个超细开口的喷丝头，将浆液压入溶液浴中，随后纺出纤维。在进一步的过程中，纤维经过多次洗涤和干燥，经过几个浴槽和大量滚筒。在生产线的末端，机械臂轻轻地将由成千上万条单丝组成的线完全自动地放入巨大的盒子中。这些盒子被运到港口，从那里他们横跨大西洋，沿着太平洋到达美国西北角，随后这些前驱体纤维被进一步加工成碳纤维。”
具有 50,000 个超细口的喷丝头，纤维通过这些开口进行纺丝
为什么先驱体的质量如此重要？
Wöginger：“前驱体是所有下游生产步骤的基础。在这个阶段，我们确定了各种类型的纤维的路径，并从这些方向出发提供定制化的解决方案。我们为后期碳纤维提供了在生产前体时所需的性能。可以根据需要调整前驱体，从而改变产品的强度和刚度。前驱体已经定义了纤维的数量、直径和形状以及表面特性等特征。”
SGL的前驱体有什么特别之处？
Wöginger：“关键是实现了50K规格与高拉伸强度相结合。50K表示碳纤维由50000根单丝组成。我们能够用自己的前驱体纤维实现非常高的拉伸强度。这些性能甚至足以满足航空航天行业的需求。前驱体需要一个精确定义的晶体结构，以便以后能够生产出具有优异拉伸强度的碳纤维。要获得这种结构，必须严格控制几十个参数：温度、混合比、压力值……我们控制得越好，客户获得的性能和质量就越高。生产工艺在质量和生产率方面不断优化。由于强大的创新能力、不断优化的工艺和专家的卓越贡献，我们能够在很短的时间内开发出自己的前驱体产品，这给SGL带来了巨大的竞争优势，使我们成为唯一真正的欧洲碳纤维制造商。通过将我们的碳纤维以轻量化产品的形式用于风力涡轮机叶片或电动汽车，这也有助于减少碳排放。”（主要参考来源：SGL Carbon）