碳纤维作为国民经济和国防建设的关键基础材料之一，是先进复合材料重要的增强体，可广泛应用于航空航天、光伏、风电、氢能、汽车轻量化、体育休闲等领域。经过数年的技术攻关和产业化发展，我国已形成具有自主知识产权的碳纤维技术体系，实现了技术、产品、应用和产业链多元化发展。

聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）基碳纤维的制造工艺主要包括原丝生产和氧化碳化阶段。随着技术和市场需求发展，碳纤维生产正朝着低成本化和绿色化方向发展。

碳纤维制造工艺流程

原丝制备技术

在引发剂的作用下，丙烯腈与共聚单体反应生成碳纤维前驱体（又称“碳纤维原丝”），其中聚合液生产分为一步法和两步法，原丝生产又分为湿纺法和干喷湿纺法。随着碳纤维生产进一步向规模化、低成本化发展，其原丝规格也从小丝束向大丝束、巨丝束转变。此外，生物基原料日益受到研究者关注。

开发具有更优力学性能的大丝束或巨丝束产品，已成为碳纤维工业化发展的重要任务和客观要求。如吉林碳谷的大丝束75K碳纤维原丝及其制备方法，解决了因单丝线密度不均匀导致的力学性能下降问题，满足了风电等应用领域对大丝束产品的需求。

生物基聚合物产能和产量持续增长，2023年其全球总产能为480万t，预计2023—2028年间年均复合增长率在17%左右。德国戈平根劳博霍尔茨技术研究所利用湿法纺丝工艺进行了木质素基碳纤维的研究，使用可再生资源硬木，通过一种新型溶解技术对木质素进行结构优化和重构，实现了对碱木质素温和且有效的溶解，是一种产率较高的高强度碳纤维前驱体制备方法。

木质素湿法纺丝示意图

利用丙烯腈/巴豆酸胍共聚物制备碳纤维前驱体，共聚单体巴豆酸胍的加入有效降低聚合物环化反应的活化能，同时促进环化反应的进行。其TGA分析表明，引入巴豆酸胍提高了共聚物的热稳定性，800 ℃碳化条件下的产率超过54%，比PAN均聚物提高19%以上，具有替代当前碳纤维前驱体的潜力。

氧化、碳化技术进展

原丝氧化、碳化环节主要包括预氧化、低/高温碳化、电解、上浆等工序，生产高模型碳纤维时，在高温碳化后需进行石墨化处理。其中预氧化过程通常需要50～90 min，占碳纤维加工总时长的75%～90%，用电成本约占总能耗的70%。为了满足碳纤维生产的低成本化、高效化需求，出现了紫外预处理、电子束/等离子体退火、微波退火等前沿性工艺。

2020年，美国4M碳纤维公司利用其与田纳西州橡树岭碳国家实验室（ORNL）合作开发的大气等离子体氧化技术加工台塑公司的聚丙烯腈前驱体，初步试验结果表明，由该工艺生产的碳纤维比传统工艺生产的碳纤维具有更高的拉伸性能。近期美国4M碳纤维公司宣布启动年产50 t等离子体氧化试验线项目，据介绍，与目前行业标准相比，该技术可将生产能力提高至3倍。

为了研究不同海拔下氧分压对工业碳纤维生产线氧化稳定性的影响，ZHU等对PAN纤维在中微观结构演化和力学性能指标方面进行了比较，发现较高氧分压气氛下可生成更均匀和交联的结构，并使稳定后的纤维具有较低的皮芯比，而低氧分压下纤维出现严重的皮芯结构。

预氧化工序的时间决定了碳纤维的生产效率和性能，鉴于此，澳大利亚迪肯大学研究了湿纺PAN纤维高速预氧化微观结构对碳纤维拉伸和压缩性能的影响。研究表明，当PAN前驱体纤维中丙烯腈、甲基丙烯酸酯、共聚体衣康酸的质量分数分别为94%、3%、3%时，可制备具有较高拉伸强度的碳纤维，且能耗更低，适合快速预氧化处理，当预氧化时间缩短至32 min时，碳纤维拉伸强度和模量降低，但抗压强度提高。

为了解决碳纤维石墨化均匀性和模量波动的问题，万凯等采用碳纤维的单边和双侧高斯激光辐照方法，明确温度对碳纤维石墨化均匀性的影响。结果表明，与直接高斯激光辐照相比，平顶激光辐照下薄层碳纤维石墨化均匀性显著提升；平顶激光辐照薄层化碳纤维可以有效提高碳纤维石墨化的均匀性，其中展纤均匀性成为影响碳纤维激光石墨化均匀性的关键因素；高功率激光辐照下碳纤维表面存在大量的缺陷，这些缺陷导致了碳纤维强度的降低，同时也限制了碳纤维模量的进一步提高。

更多内容，请关注纺织导报2025年第2期《碳纤维技术与市场现状及发展前景》一文。