碳纖維制品是一種高強度、輕質(zhì)的材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、運動器材等領(lǐng)域。碳纖維生產(chǎn)工藝流程長且復(fù)雜，其生產(chǎn)工藝主要有原絲制備（聚合與紡絲）、預(yù)氧化、碳化/石墨化及表面處理/上漿等。簡單來講，碳纖維的生產(chǎn)過程是將丙烯腈單體聚合制成紡絲原液，然后將原液紡絲成型制成原絲，制成的原絲為碳纖維的前驅(qū)體；原絲經(jīng)過氧化爐，在空氣氣氛下反應(yīng)得到預(yù)氧絲，預(yù)氧絲在氮氣保護下，分別經(jīng)過低溫碳化、高溫碳化得到碳絲；為了更好地制成碳纖維復(fù)合材料，此時還需經(jīng)過表面處理、上漿，最后烘干得到碳纖維。

一、 碳纖維生產(chǎn)工藝解析

1.原絲制備：

聚合反應(yīng)

聚丙烯腈（PAN）是 90% 以上碳纖維的原料，其純度和分子結(jié)構(gòu)決定最終性能，以丙烯腈為單體，通過自由基聚合或離子聚合工藝形成PAN聚合物。反應(yīng)中需精密調(diào)控溫度（約70℃）、壓力（0.1-0.3MPa）及催化劑配比，確保聚合物分子量分布窄、鏈段規(guī)整——任何雜質(zhì)或反應(yīng)波動都可能導(dǎo)致原絲缺陷，影響碳化階段纖維強度。

紡絲成型
干噴濕紡是制備高性能原絲的核心工藝：PAN溶液經(jīng)噴絲板擠出后，先在空氣層初步凝固（干噴），再浸入凝固?。窦彛┬纬晒虘B(tài)絲條。

2. 預(yù)氧化、碳化/石墨化

預(yù)氧化（200-300℃）
原絲在空氣氛圍中緩慢升溫，PAN分子鏈發(fā)生環(huán)化、脫氫和交聯(lián)，形成耐熱梯形結(jié)構(gòu)。這一步至關(guān)重要：若預(yù)氧化不足，碳化時纖維易熔融斷裂；過度氧化則降低最終碳收率。碳化（1000-1500℃）預(yù)氧化絲在氮氣保護下高溫處理，非碳元素（H、O、N）以CO、H?等氣體逸出，碳元素重排結(jié)晶形成亂層石墨結(jié)構(gòu)。此階段能耗占生產(chǎn)成本35%，需攻克高溫設(shè)備熱場均勻性難題——德國艾森曼碳化爐可實現(xiàn)±3℃的溫度精度（2800℃工況）。石墨化（可選，2500-3000℃）針對T1000級以上高性能纖維，需通過石墨化進(jìn)一步完善晶體取向。高溫促使碳原子層沿纖維軸向有序排列，模量提升至600GPa以上，但工藝復(fù)雜。

3.表面處理

進(jìn)行氣相或液相氧化，賦予纖維化學(xué)活性，增大對樹脂的親和性。

此舉是防止纖維在過程中損傷，并提高與樹脂母體的親和性，使所得纖維具有各種不同的斷面結(jié)構(gòu)。

4.烘干

去除表面處理和上漿后殘留的水分或溶劑，固化上漿劑薄膜。

二、碳纖維預(yù)浸料：高性能復(fù)合材料的核心中間體

1. 定義與核心作用
碳纖維預(yù)浸料是由碳纖維增強體與樹脂基體（熱固性 / 熱塑性）通過精密浸漬工藝制成的復(fù)合材料中間體，廣泛用于航空航天結(jié)構(gòu)件、汽車輕量化部件及高端運動器材。其核心作用是通過控制纖維取向、樹脂含量與界面結(jié)合力，確保最終制品的力學(xué)性能最大化。

碳纖維UD預(yù)浸料產(chǎn)品包括紙管、離型紙或PE膜、樹脂和纖維復(fù)合體、離型紙。

2. 核心特性與優(yōu)勢

基礎(chǔ)特性

高強度輕量化：強度可達(dá)鋼材的 6-12 倍，密度僅為鋼的 1/4 以下。

加工靈活性：兼具紡織纖維的柔軟性與可塑性，可根據(jù)模具形狀成型各類產(chǎn)品。

耐腐蝕長壽命：非金屬材質(zhì)特性使其抗腐蝕能力強，使用壽命顯著優(yōu)于金屬制品。

獨特優(yōu)勢

①力學(xué)性能優(yōu)異②產(chǎn)品缺陷率低③纖維體積含量精確可控④性能與加工特性高度一致⑤實現(xiàn)最佳性能 / 重量比平衡

3.產(chǎn)品分類與技術(shù)路線

預(yù)浸料分為單向纖維預(yù)浸料（單向承力）和纖維織物預(yù)浸料（雙向承力），制備方法有樹脂溶液法和樹脂熱熔法，其中熱熔法為生產(chǎn)預(yù)浸料的主要工藝，可進(jìn)一步分為一步法和兩步法，兩步法將預(yù)浸料的生產(chǎn)拆分為涂膜和預(yù)浸兩步驟。 一步法直接將熔融樹脂與碳纖維復(fù)合，適合連續(xù)化生產(chǎn)；兩步法先制備樹脂膜，再與纖維復(fù)合，便于精確控制樹脂含量，適用于高性能產(chǎn)品。

（1）單向預(yù)浸料（UD）

（2）織物預(yù)浸料

4.制備工藝

溶劑型工藝

適用范圍：僅限織物預(yù)浸料制備。

熱熔型預(yù)浸料工藝

熱熔法通過精確控制樹脂熔融溫度（如 PA6 基體需 250-280℃）與輥壓壓力（5-10MPa），使樹脂均勻包裹碳纖維。以上海聯(lián)凈電磁感應(yīng)加熱輥為例，其溫度精度達(dá) ±1℃，機械精度 0.005mm，可生產(chǎn)厚度公差≤±5μm 的高端預(yù)浸料，滿足航空級產(chǎn)品要求。

? 一步法工藝路線

? 兩步法工藝路線

· a. 樹脂膜制備

· b. 含浸

行業(yè)地位：熱熔法為碳纖維預(yù)浸料主流生產(chǎn)工藝，一步法與二步法對比如下：

5.關(guān)鍵生產(chǎn)工藝解析

碳纖維預(yù)浸料是用樹脂基體在嚴(yán)格控制的條件下浸漬連續(xù)碳纖維或織物制成的組合物，是制造復(fù)合材料的中間材料。按照樹脂基體的不同，可分為熱固性碳纖維預(yù)浸料和熱塑性碳纖維預(yù)浸料，通常所說的碳纖維預(yù)浸料一般指熱固性碳纖維預(yù)浸料。碳纖維熱塑預(yù)浸料是碳纖維預(yù)浸料中的一種，是復(fù)合材料增強碳纖維預(yù)先浸漬了熱塑性樹脂。

熱塑性碳纖維預(yù)浸料制備工藝包括碳纖維處理、預(yù)浸工序、輥壓工序等。其中預(yù)浸和輥壓工序最為關(guān)鍵。

輥壓工藝：

輥壓工藝是將浸漬后的碳纖維通過一系列的輥壓設(shè)備，使樹脂均勻分布在碳纖維之間，形成具有一定厚度和均勻性的預(yù)浸料。輥壓工藝的參數(shù)包括輥壓壓力、輥壓速度、輥壓溫度等，這些參數(shù)的選擇需要根據(jù)碳纖維和樹脂的性能、預(yù)浸料的厚度和均勻性要求等因素進(jìn)行調(diào)整。

預(yù)浸料的輥壓采用加熱鋼輥對壓的方式，加熱輥使用上海聯(lián)凈生產(chǎn)的電磁感應(yīng)加熱輥，能實現(xiàn)在工作狀態(tài)下始終保持在0.005mm以內(nèi)的機械精度和±1℃以內(nèi)的溫度精度，從而確保最終預(yù)浸料厚度的一致性良好。

性能優(yōu)勢對比

材料性能提升推動預(yù)浸料成型工藝創(chuàng)新，預(yù)測期內(nèi)熱熔工藝憑獨特優(yōu)勢將主導(dǎo)市場。其采用的熱塑性聚合物受熱熔融、冷卻速固，較傳統(tǒng)工藝更高效快速，在汽車內(nèi)飾部件（如內(nèi)部面板、裝飾件、聲學(xué)部件）生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，尤其契合汽車等大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)焖夙憫?yīng)的需求，可顯著提升效率、降低成本。熱塑性碳纖維預(yù)浸料市場隨材料技術(shù)進(jìn)化穩(wěn)健發(fā)展，高性能需求持續(xù)增長。其中，碳纖維與熱塑性樹脂復(fù)合的預(yù)浸料，因輕質(zhì)高強、耐高溫、耐磨等特性，將成未來主流，在更多領(lǐng)域釋放價值，引領(lǐng)材料行業(yè)發(fā)展新方向。

三、總結(jié)

綜上所述，碳纖維預(yù)浸料作為碳纖維制品生產(chǎn)的關(guān)鍵中間材料，在整個碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)承上啟下的重要地位。從碳纖維生產(chǎn)的復(fù)雜工藝流程，到預(yù)浸料自身獨特的制備工藝與產(chǎn)品特性，都體現(xiàn)出其在高性能材料領(lǐng)域的巨大價值。無論是熱固性還是熱塑性碳纖維預(yù)浸料，都以優(yōu)異的力學(xué)性能、加工靈活性和穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，推動著航空航天、汽車制造等眾多行業(yè)的技術(shù)革新。隨著熱熔工藝等先進(jìn)技術(shù)的不斷成熟，以及熱塑性碳纖維預(yù)浸料優(yōu)勢的日益凸顯，碳纖維預(yù)浸料未來必將在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，持續(xù)引領(lǐng)高性能復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展潮流，為各產(chǎn)業(yè)升級注入強勁動力。

來源：上海聯(lián)凈復(fù)合材料技術(shù)有限公司