首先我们先简单了解下目前碳纤维种类，不同种类碳纤维的性能优势以及应用情况。

碳纤维按照原材料的不同，主要有聚丙烯腈基（PAN基）碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维。当然，目前也有用低成本的木质素来制造碳纤维的技术，但还未有产业化的信息及应用。

PAN基碳纤维

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PAN基碳纤维因具有生产工艺简单、生产成本较低和力学性能优良等特点，已成为发展最快、产量最高、品种最多、应用最广的一种碳纤维，目前市场占有率90%以上。

PAN基碳纤维，图片来源：吉林化纤

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沥青基碳纤维

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高性能中间相沥青基碳纤维与PAN基碳纤维相比，具有高模量和高导热的性能优势，被广泛应用于高超声速飞行器的热端部件、空间飞行器的大面积薄板结构、电子仪器仓的散热部件、新一代智能机器人的力臂等领域，在航空航天装备、尖端工业装备、电子产品等上实现轻量化的同时，既能作为结构材料承载负荷，又能作为功能材料防热和导热，而且兼具零膨胀或负膨胀的特性，是一款极具发展前景的结构功能一体化材料。

高性能沥青基碳纤维，图片来源：天策科技

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粘胶基碳纤维

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粘胶基碳纤维是以粘胶纤维为原料，在低温热处理后再在非氧化性气氛中经800℃以上的高温热处理而制得的以碳为主要成份的纤维材料。粘胶基碳纤维除了有比强度高，比模量高，耐化学腐蚀性、润滑性好等优点外，还具有比重小、纯度高、断裂伸长大、柔软、可编织性好、热传导系数小，比表面积大，易活化等特性，在航天工业及尖端军工技术领域中具有不可替代的作用。

航天级高纯粘胶基碳纤维，图为潘鼎教授等人

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关于聚乙烯

聚乙烯（PE）是产量最大的也是非常重要的商品聚合物，是一种半结晶热塑性材料，具有非常好的电绝缘性及耐化学性。因此，PE广泛用于各种产品中，最重要的应用是薄膜、包装、瓶子、运输容器和家居用品，以及绝缘电缆和管道中。PE由乙烯制成，乙烯可由原油、天然气或甘蔗等生物基材料生产。

为什么要用聚乙烯塑料制造碳纤维？

碳纤维及其复合材料近年来备受关注，并在越来越多的行业中得到应用。然而，由于碳纤维的高生产成本和复合材料的复杂制造工艺，它们在大批量应用中的应用仍然受到限制。碳纤维制造的主要成本驱动因素是前体纤维的生产，聚丙烯腈(PAN)是当今的主要原料。大约50%的碳纤维生产成本与前体纤维有关。出于这个原因，使用新的前体材料提供了巨大的成本节约潜力。聚乙烯(PE)因其高碳含量、低成本、高可用性和可熔融加工性而成为PAN的有前途的替代品。

该文章主要研究内容

本研究回顾了PE基碳纤维的研究和开发活动，讨论了前体纤维的制造及其转化为碳纤维的过程，该论文还概述了有关基于PE的碳纤维的商业生产概念和各种成本模型的已发布信息。

文章回顾了以往在使用低成本聚乙烯(PE)基前驱体生产碳纤维方面取得的成就。与基于PAN的前体不同，PE前体纤维是通过熔体纺丝而不是溶液纺丝工艺生产的。由于PE是一种热塑性塑料，PE纤维不能在简单的热过程中稳定而不失去其纤维形式。为了使PE前体纤维不熔，通过使用热化学稳定方法（例如磺化）实现聚合物的环化。PE基碳纤维的碳化和后处理类似于PAN基的生产路线。下图显示了与基于PAN的工艺相比，基于PE的碳纤维制造工艺的基本概述。

基于PAN的工艺相比，基于PE的碳纤维制造工艺流程

用于碳纤维制造的前体纤维

前体纤维制造方面的深厚专业知识是碳纤维生产技术领先的基础。碳纤维的最终性能很大程度上取决于前体纤维的质量。但是什么是好的先驱？必须确保下表中列出的良好前体纤维的先决条件。

前三个特性是生产高质量碳纤维的基础。生产高质量碳纤维的关键参数是石墨片平行于纤维轴的优选取向，这是在前体生产过程中引入的，并且必须在转化过程中保持。必须将裂纹、空隙和杂质减少到最低限度，以最大限度地提高纤维的强度。前体原料的高碳产率以及低初始成本和高可用性对于实现实用和低成本生产非常重要。近年来，大量的前驱体材料被认为是生产碳纤维的原料。PE已被证明是最有前途的材料之一，因为它作为低成本碳纤维的潜在前体具有许多吸引人的特性：

1. PE是一种大规模生产的聚合物，因此与特殊聚合物（如PAN基碳纤维）相比具有成本优势。

2. PE可以很容易熔纺。熔体纺丝工艺比标准的PAN溶液纺丝工艺更具成本效益和环保。因此，PE基原丝的成本每公斤仅为1.47–1.84欧元，而PAN基碳纤维原丝的成本为3.04–7.40欧元。

3. PE聚合物来源广泛。此外，可以使用市售机器生产前体纤维。如果从供应商处购买基于PE的前体纤维，则可以降低资本投资成本。

4. PE的性能已经得到很好的研究，结构-性能改性技术是可用的。

5. PE的碳含量约为85.7%，明显高于PAN的67.9%。因此，可以获得更高的碳产量。

6. 可回收的或基于生物的PE聚合物可商购获得。

总之，与正在考虑的任何其他前体相比，PE基碳纤维在性能成本比方面可以提供更大的价值。与由PAN和沥青制成的传统前体相比，PE基前体的特性列于下表中。

注：本文仅翻译了文章前四页部分内容（全文共32页），由于水平有限，如有错误，敬请批评指正。

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