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沥青基碳纤维，包括各向同性沥青基碳纤维和中间相沥青基碳纤维，以其多样化的性能以及可低成本化的潜力，在许多领域得到应用。近日，世界领先的热工解决方案供应商美国Harper公司发布了白皮书《较低成本碳纤维—来自沥青的碳纤维》，展示了未来低成本沥青基碳纤维用于汽车轻量化材料的前景，以及相关工艺过程。

辽宁诺科碳材料有限公司的研发团队，十多年来一直为实现中间相沥青基碳纤维产业化而不懈努力，也探索了各向同性沥青基碳纤维的生产技术，始终关注着沥青基碳纤维技术及产业的发展。

虽然我们并不完全认同文章中的一些观点，我们还是将来源于网络的这篇文章转译出来，供行业内同仁参考交流，谬误之处请多指正。

到2025年，平均燃油经济性必须提高到22.3公里/升（52.5英里/加仑）。汽车制造商要实现这一目标将使用的一种方法就是采用轻量化材料例如碳纤维。如果三大主要汽车制造商（例如GM，VW和Ford）在他们生产的每辆汽车中使用8.2千克碳纤维，那么全球碳纤维的生产能力至少需要翻一番才有可能满足需求。

碳纤维的成本必须削减一半，才能达到汽车行业可接受的价格水平，采用便宜的前驱体是降低碳纤维成本的一种方法。

在汽车上应用重量更轻的碳纤维复合材料的呼声日益高涨，这推动着碳纤维行业朝着高质量廉价碳纤维的方向发展。当今生产的大多数碳纤维都使用PAN作为前驱体，这无助于生产低价格的碳纤维。

使用其他的碳纤维前驱体，比如木质素，人们已经探索了超过四十五年，但是仅获得部分成功。主要的障碍包括，木质素前驱体在大部分热处理过程中无法支撑自身的重量，熔融纺丝过程所需要的原料数量，以及所生产的碳纤维模量、强度和脆性等。

随着工艺和机械技术水平的进步，沥青前驱体重新开始流行，并且由于沥青前驱体含碳量高达85%以上，不需要像使用PAN前驱体一样深度的稳定化，使碳纤维成本更低。

本文概述了将沥青前驱体转变为碳纤维所需的步骤，以及与这些步骤相关的关键因素和存在的困难。 

碳纤维与当前汽车材料比较

为了更好理解汽车行业可能的需求对碳纤维生产行业的影响，有必要了解一下全球汽车行业使用的常规材料的数量。在汽车工业中，铝和镁由于重量轻而成为用量增长最快的材料，它们在制造汽车部件、动力传动系统、车身结构等方面的应用越来越多[1]。

2018年，全球售出8600万辆汽车[2]，平均重量为1815公斤[3]。用一种合理估算方法，一般车辆的一半[4]是由某种金属制成的，那么汽车行业的金属消耗量就超过78,000,000公吨。与2018年全球碳纤维生产能力（约149,000公吨）[5]相比，很明显，碳纤维要成为汽车行业中的普通材料，其制造能力就必须大大提高。

增加世界碳纤维的产能，并不是需要考虑的唯一问题，价格也是重要考虑因素。现在，50K的工业级碳纤维可以实现15～18美元/千克的价格[6]，低碳钢的成本为1.10美元/千克[7]，2018年再生铝的平均成本为2.27美元/千克[8]。图1展示了这些材料的成本差异。

许多研究团队在降低碳纤维成本上付诸大量努力，但开发“低成本碳纤维”是一个极大的挑战。使用价格低廉的前驱体，例如沥青，是实现碳纤维低成本化的有效途径。

碳纤维的背景简介

碳纤维于1950年代被开发出来，作为导弹耐高温部件的增强材料。最初的碳纤维是通过加热人造丝束直至碳化的方法生产的，但由于碳收率仅20％左右，并且所得纤维的刚性和强度低，随后开始采用聚丙烯腈（PAN）做为碳纤维的前驱体。与人造丝作为前驱体的碳纤维相比，PAN前驱体的碳化收率达到55％，并且PAN基碳纤维的物理机械性能明显提高。

在1970年代，人们继续寻找其他原材料，从而引入了由石油沥青制成的碳纤维，这种原料来源于石油加工过程。石油沥青前驱体的碳收率高于85%，所制得的碳纤维模量和强度高，满足许多应用需求。由于出色的弯曲模量和易于石墨化的特点，沥青基碳纤维被认为是某些特殊应用的绝佳选择。

PAN基与沥青基碳纤维

PAN基碳纤维产量占碳纤维总量的90％，是最常见的碳纤维种类，碳纤维转化率为50％～55％，其具有中等的模量和较高的拉伸强度，主要用于结构增强。沥青是从石油沥青，煤焦油或聚氯乙烯中提取的多环芳烃，碳纤维转化率约85%，与PAN相比可以达到更高的模量，并且具有更高的电导率和导热率。