性能中间相沥青基碳纤维产业化应用概述

01 沥青基碳纤维介绍

沥青基碳纤维按其性能差异可分为通用级沥青基碳纤维和高性能沥青基碳纤维，前者由各向同性沥青制备，又称各向同性沥青基碳纤维，后者由中间相沥青制备，又称为中间相沥青基碳纤维。

通用级沥青碳纤维所用的纺丝原料沥青为各向同性沥青，其拉伸强度通常在1.0GPa以下，拉伸模量通常在30~50GPa之间。产品形式有软毡、碳布、碳纸、絮状材料及粉状材料等，主要用作高温热场的隔热材料、电池的电极材料、水泥增强材料等。

02 高性能中间相沥青碳纤维

高性能中间相沥青碳纤维与PAN基碳纤维相比，具有高模量和高导热的性能优势，例如湖某企业牌号为TYG-1碳纤维拉伸强度为2.5GPa，拉伸模量为890GPa，热导率高达600W·m-1·K-1，综合性能优异，主要作为功能材料使用。

高性能中间相沥青基碳纤维通常以煤焦油沥青、石油沥青、精萘等为原料，其制备工艺流程长，多学科交叉。主要包括：高纯可纺中间相沥青的调制、熔融纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、石墨化、表面处理、上浆及干燥等过程，而这其中高纯可纺中间相沥青的调制、沥青纤维的连续熔融纺制及连续热处理是高性能中间相沥青基碳纤维制备过程中的难点。

03 高性能中间相沥青碳纤维应用概述

高性能中间相沥青基碳纤维是碳纤维中的佼佼者，具有高模量和高导热优势，复合材料部件可以通过手糊成型、喷射成型、缠绕成型、拉挤成型、热压罐成型、树脂传递成型（RTM），模压成型，注塑成型，真空袋成型、吹气成型等，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，其主要应用领域如下：

3.1高超声速飞行器热端部件

高超声速飞行器是指飞行速度超过5马赫的飞机、导弹、炮弹等有翼或无翼的飞行器，其特点是无与伦比的快速打击和远程投送能力。高超声速飞行器飞行过程中与大气发生强烈的交互作用，气流损失的动能转化为热能，飞行器的热端部件，例如鼻锥、机翼前缘和超燃冲压发动机燃烧室等，表面温度急剧升高。这些部件除了需要承受高达2000~3000oC超高温和高速气流的热负荷冲击，还需要在剧烈的烧蚀环境下保证控制精度，从而保证飞行器的高升阻比和气动外形，对热防护材料的要求十分严苛。以中间相沥青基碳纤维为增强体的高导热C/C除了耐高温性能和机械性能优良，还具有较高的导热系数（可达300W/m·K以上），可以把热端部件的部分热量快速传递至后端服役环境不是很苛刻的地方，从而显著降低材料表面的烧蚀温度，减小热梯度和热应力集中，提高热端部件的可靠性；另外中间相沥青基碳纤维的热疏导作用也为高超声速飞行器向更高马赫数的发展提供了可能。

高导热C/C复合材料可显著降低热端材料的烧蚀温度

3.2 人造卫星散热构件及空间光学结构

由于卫星所处的宇宙空间是真空环境，卫星本体结构容易受到日照日阴差和星载仪器发热的影响，在单个结构系统中也会产生超过100oC的交变温差。在如此恶劣的温度环境下，卫星只有保证尺寸稳定才能实现稳定的通信和观测业务。传统的PAN基碳纤维CFRP复合材料导热性比金属材料差，因此在装备大量发热设备的结构面板等构件时，只能牺牲尺寸稳定性而采用导热性良好的铝合金（180~220W/m·K）。使用中间相沥青基碳纤维制备的高导热碳纤维树脂基（CFRP）复合材料，弹性模量最大可达560GPa，热导率可达480W/m·K，足以保证热量在大尺寸构件上分散均匀，实现卫星的姿态稳定和搭载设备的高精度指向。目前中间相沥青基碳纤维CFRP已经成功应用在卫星的中央圆筒、太阳能电池板、卫星抛物面天线和相机支架等部件上。

中间相沥青基碳纤维在人造卫星上的应用

3.3 相控阵雷达

有源相控阵(AESA)技术是当前雷达技术发展的一个新趋势、新方向。相控阵雷达与传统机械扫描雷达相比，扫描更灵活、性能更可靠、抗干扰能力更强，能快速适应战场条件的变化，已广泛用于地面远程预警系统、机载和舰载防空系统、机载和舰载系统、炮位测量、靶场测量等。相控阵（相位可控的整列）雷达的相控阵天线由100~10000个辐射单元排列组成，每个单元的馈电相位均可灵活控制，改变了天线辐射电磁波的波阵面指向。

相控阵雷达

有源安装板是星载有源相控阵雷达的关键零部件，其上集成了数目众多的收、发组件和元器件，组装密度高，功率密度大。高精度有源安装板通常采用铝蜂窝夹层和高导热蒙皮复合而成，高导热蒙皮由中间相沥青基碳纤维制备，既能保持高尺寸精度，又能快速疏导高功率电子元器件产生的热量，是实现星载/机载天线机热一体化的重要途径。

3.4  5G散热

近年来，随着5G通信技术的应用及推广，对导热材料提出了更高的要求，对导热材料的需求预计也会出现成倍的增长。5G 芯片的计算能力要比现有4G芯片高至少5倍，功耗大约高出2.5倍，5G作为高速高功率通信技术，对导热要求极为苛刻，传统的导热垫片技术在提升热导率方面遇到了一些瓶颈。通过对中间相沥青基碳纤维的阵列定向制得的硅胶导热垫片，已经从最高10 W/m·K的导热水平，提高到50 W/m·K。这是一种颠覆性的提升，不仅是在5G应用领域，甚至是未来6G领域，很可能也将会采取这种定向导热方案。

碳纤维在5G热界面材料上的应用

3.5 其他应用

太阳能飞机以太阳辐射作为推进能源的飞机。由于太阳辐射的能量密度小，为了获得足够的能量，飞机上应有较大的摄取阳光的表面积，以便铺设太阳能电池，因此太阳能飞机的机翼面积较大，机翼的跨度大，对材料的模量要求很高，除此之外，ATR机箱还需要具有良好的散热性能，因此高性能中间相沥青基碳纤维具有较好的应用前景。