沥青基碳纤维
沥青基碳纤维是煤焦油沥青或者石油沥青原料经过精制、改性、热处理得到能够用来纺丝的沥青，经过纺丝、不融化处理，然后在一定温度下碳化、石墨化而得。而沥青基碳纤维则根据向纺丝提供的沥青的结晶形态的不同，又分为中间相沥青碳纤维和各向同性沥青碳纤维。此外，沥青基碳纤维还可以根据物性不同，划分为强度、弹性模量等力学性能优异的高性能碳纤维和不以力学性能应用为主要目的的通用级碳纤维。又可根据形态不同，分为连续纤维和短纤维。
沥青基碳纤维是以沥青为原料制备得到的碳纤维，其碳化得率为80%-90%，生产成本低，具有发展潜力，其产量占碳纤维总量的4%。与pan基碳纤维相比，沥青基碳纤维具有更高的模量，以及更高的热导率和导电率。世界沥青基碳纤维的生产能力较小，国内沥青基碳纤维的研究和开发较早，但在开发、生产及应用方面与国外相比有较大的差距。
纤维介绍
沥青基碳纤维比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。其具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电与导热等优良性能，是航空航天工业中不可缺少的工程材料，另在交通、机械、体育娱乐、休闲用品、医疗卫生和土木建筑方面也有广泛应用，这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。
图1：无纺毡
图2：磨碎纤维粉
历程与现状
沥青基碳纤维的研究开发始于20世纪50年代末期，60年代初由日本群马大学大谷杉郎教授60年代末在日本吴羽化学公司实现工业化生产，生产规模120吨/年，该公司沥青基碳纤维的生产能力已经发展到900吨/年。美国联合碳化物于1970年也成功开发出了以石油沥青为原料的沥青基碳纤维，并于1975年通过PILOT试验，1982年开始投入工业化生产，其生产规模已经达到230吨/年。三菱化学于1998年10月又投产了一条200吨/年的沥青基碳纤维生产线，使该公司的沥青基碳纤维的生产能力达到了500吨/年。日本石墨纤维公司继承了新日铁住金和日本石油两大公司的技术实力，于1995年合资成立了“Granoc”沥青碳纤维公司，积极开展沥青基碳纤维的应用研究不仅提高了产品性能，而且开发了很多新品种，如低模量型、中模量型、航空航天级产品等。我国对沥青基碳纤维的研制已有40年的历史，20世纪70年代初，上海焦化厂以煤焦油为原料成功地制取了碳纤维，但因试验结果不稳定，产品质量不高而中止。1979 年，中国科学院山西煤化所开始研制沥青基碳纤维，1985 年通过小试。在此基础上，冶金部在烟台市筹建了新材料研究所，生产通用级沥青碳纤维，规模70～100t/a，主要做飞机的刹车片。90年代初扩大到150t/a。但由于设备未过关，又无改造资金，处于停产状态。鞍山塞诺达碳纤维有限公司投资1.2亿元人民币于90年代初从美国Ashland（阿什兰德）石油公司引进了全套生产设备，1994年动工建设，1995年投产。生产质量稳定，现生产能力已达到400t/a。同时还引进了年产45t活性碳纤维的生产装置。
制备工艺
通用型沥青基碳纤维一般只能做复合材料增强剂、吸附剂、文体用品等，因此对沥青的预处理没有太高的要求。而高性能沥青基碳纤维的生产原料为中间相沥青。选择中间相沥青的生产方法主要根据原料的性质和组成确定。热聚合工序是生产中间相碳纤维的关键工序，其工艺条件是研究重点。由于通用型碳纤维的研究比较多，并且应用更广，所以主要介绍一下通用型沥青基碳纤维制备过程。
原料沥青→沥青熔化处理→沥青过滤→沉降法或热滤法的调制→熔喷法或熔纺法纺丝→不熔化处理→炭化或石墨化处理
分类
4.1按产品性能分为通用型沥青基碳纤维和高性能沥青基碳纤维两种。
通用型沥青基碳纤维为各向同性型，其在结构上存在着不均匀性。既存在着有序排列程度较高的晶区，又存在着有序程度较低的非晶区。晶区由无规取向的片状微晶组成，微晶之间相互缠绕，并通过分叉形成网状结构。由发展不充分的微晶或无定形碳组成的非晶区镶嵌在微晶之间的“网眼”中。
高性能沥青基碳纤维的原料是中间相沥青，中间相沥青是由重质芳烃类物质在热处理过程中生成的一种由圆盘状或者棒状分子构成的向列型的液晶物质，其原料可以是煤焦油沥青、石油沥青和纯芳烃类物质以及它们的共混体。
4.2 按原料来源分为煤焦油沥青碳纤维与石油基沥青碳纤维两种。
应用领域
沥青基碳纤维除具有碳纤维的高强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好等性能特点。还具有较高的热传导性能，反向热膨胀系数和超高的模量，沥青基碳纤维适用于空间技术和人造卫星领域；沥青基碳纤维独特的热传导性能，使其在高产出的电气设备中显示出良好的散热效果；对有效载荷有严格限制的运载火箭来说，沥青基碳纤维增强材料在减轻重量上可起决定作用；沥青基碳纤维的低密度、高热导性能以及特殊的摩擦性能，对于其在军事领域的应用十分有价值；而沥青基碳纤维及其增强材料的稳定性，也为设计制造出高性能与持久耐磨的制动系统提供了理想材料；为了适应开发高模量制品的需要，碳纤维生产商的研发目标已越来越多地转向具有良好刚性和挠性的沥青基碳纤维产品，因为它能够提供一般纤维材料难以达到的高性能。国内主要的应用领域是以下四个方面：
5.1铅酸蓄电池正极板
碳纤维具有很强的耐酸碱、耐蚀性能。蓄电池极板活性物质中加入一定比例的碳纤维后（碳纤维长度100~200um），会明显提高蓄电池的性能指标，如延长蓄电池的放电时间、提高循环使用寿命及快速充电等性能。这是因为碳纤维的加入可阻止活性物质在极板上脱落，并加大导电网络。由于沥青基碳纤维含碳量高、价格低廉等，在蓄电池上应用是必然趋势。
哈尔滨工程大学经过实验研究：碳纤维的加入量为0.2-0.3%（质量百分数）时，能提高正极活性物质利用率可提高7%-15%.
5.2刹车片
碳纤维具有高比强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、断裂韧性高、耐磨性好、抗烧蚀以及有很好的化学稳定性和尺寸稳定性、强度随温度升高而增加等特点。这些特点更适合在制备刹车片产品中的应用。实践证明碳纤维在刹车片中加入1~2%比例，就明显提高了刹车片的性能。
5.3密封件
在高温高压的有机溶剂环境中，一般采用橡胶、硅橡胶等特种橡胶，通过调整沥青基碳纤维的含量，制品的最高操作温度可以达到400℃以上，而且耐溶性能好，使用丁腈胶或改性丁胶以及天然胶配合，可以满足350℃以下的使用要求，碳纤维增强橡胶密封垫片的关键技术在于开发一种全新的成型工艺，在不损伤碳纤维和不降低基体材料性能的前提下，使碳纤维均匀布于基体材料中，最大限度的发挥材料性能，拓宽基体材料的选择范围。采用碳纤维纸制备碳纤维增强橡胶密封材料是一种全新的技术路线，目前尚未有相关报道，其优点是在加工成型时，碳纤维不会受到破坏，在制品整个层面上纤维是二维连续的，极大地增加了制品的强度和耐磨性，而且该技术路线适用于所有种类的橡胶基体，包括各种热塑性塑料基体，大大拓宽了基体材料的选择范围，可以制备出不同使用要求的系列产品。
5.4保温毡
市场上保温材料制品很多，分为低温保温制品和高温保温制品。而在高温环境下的保温材料制品又分为无机化合物类保温材料（如岩棉、硅酸铝、氧化铝及氧化锆等）和碳质保温材料（如泡沫炭、纤维碳等）。无机类纤维保温材料的使用温度一般在1000℃-1400℃之间，少数产品能在1800℃下使用。碳质保温材料可以在1000~3000℃真空或惰性气体保护条件下应用。在2000℃以上高温环境下只能使用碳质保温材料。
碳质保温制品通常包括碳纤维软毡（针刺毡）、碳纤维硬毡和泡沫炭。其中碳纤维硬毡性能最优，主要特点为：自支撑性，可以加工成各种形状，安装、拆卸非常方便；抗氧化、抗气流冲刷，使用寿命长等。但价格较高，主要应用于高端真空炉上，如单晶硅拉伸炉、多晶硅铸锭炉等，但随着制造成本的逐步降低，在低端炉上的广泛应用是必然趋势。
碳纤维硬毡的制造工艺通常包括软毡叠层硬化、短纤维湿法成型硬化等。软毡硬化工艺简单，制造成本低，但产品的密度较高，通常在0.2Kg/cm3以上（但采用低密针刺毡硬化产品密度可以低于0.2Kg/cm3），且长期使用后层与层之间容易开裂，使用寿命较短；湿法成型硬毡整体性好无接缝，密度易于调整，通常密度调整范围0.12~0.35Kg/cm3，自支撑性好，使用寿命长，但产品制造工艺流程较长，成本相对较高。总之，湿法成型硬毡产品性能优于软毡硬化产品，但制造成本高于软毡硬化产品。
用于制造硬毡的碳纤维主要包括pan基碳纤维、黏胶基碳纤维和通用级沥青基碳纤维，其中通用级沥青基碳纤维碳含量更高，导热系数及热容量更低，同时价格低廉，这些特点更适合制造碳质保温毡产品。
参考文献
余波。碳纤维生产发展及市场前景。上海化工.2007,9(32):46～49
Chanrles Q.Yang,John R.Simms,Infrared spectroscopy studies of the petroleum pitch 碳 fiber—I. The raw materials, the stabilization, and carbonization processes[J].carbon,1993.31(3),451-459.
王太炎，碳纤维工业发展态势与我国沥青基碳纤维现状[J].燃料与化工,1999,30（6）:259-305.
张宝宏，沈左松，井厚良，碳纤维作为铅酸蓄电池正极添加剂，电源技术2004（1），29-31
参考资料
【沥青基碳纤维】揭开沥青基碳纤维的神秘面纱(一).SINKEN.2024-03-19
“沥青基”碳纤维行业概述.中国复合材料工业协会官网.2024-03-19