碳纤维被誉为“新材料之王”，力学性能优异，是空天（低空）经济产业的理想材料。然而，碳纤维的生产制造是一个高温高能耗的复杂工艺过程。当整线运行时，预氧炉群的耗电量就占比高达约65%。如何让该数值实现有效地降低，是一项巨大的挑战。
近日，精工科技碳纤维研究院团队宣布，碳纤维预氧化新加热技术取得重要进展。
在PAN原丝的预氧化阶段，所需温度180～280℃，且处理周期较长。
根据实验结果表明，虽然PAN丝束无法有效吸收微波能量，但在微波场的强化作用下，可以显著加速PAN原丝的预氧化过程，并降低反应所需温度。
基于现有实验数据，热风微波耦合作用下，若采用相同的预氧化时间，则对应阶段的预氧化温度可以降低15～20℃，采用该项技术预计可降低氧化炉能耗30%左右，且预计能减少约20%以上的预氧化装置投资成本。
微波实验模型腔体微波场仿真
实验室测试相同热风温度与相同处理时间下，有无微波结果对比
精工科技碳纤维研究院团队自研特殊结构设计的0.4m热风微波多物理场耦合型预氧化炉，通过模拟分析后，设计制造的新型加热方式氧化炉装置内宽度方向上实现微波场的均匀分布，且保证炉内温度场和速度场分布的高度均匀性。同时，该炉设计允许多层丝束进行来回折返运行，控温技术等均可沿用常规预氧炉的模式，符合工业化大规模生产需求，可实现对现有预氧炉的直接替换。
今年，精工科技与国内著名高校合作，创新PAN原丝表面改性工艺，在纤维表面均匀涂覆特殊涂层，该特殊涂层具有很高的吸波性能，在微波场中，特殊涂层迅速升温至预氧化所需的反应温度，就相当于一个紧贴原丝单丝的加热元件，可实现对PAN原丝纤维的高效原位加热。
由于炉体内的空气介质并未被加热至反应温度，预氧化过程的温度需要对丝束直接控制。利用特殊荧光测温技术，则可以实现原丝非接触式测温，且反应灵敏，精度高，能实现在微波场下的精准控温。
荧光染色剂效果荧光发射率与温度的对应关系
实验表明，PAN原丝表面改性技术通过微波直接加热原丝，能大幅降低热能在炉体和炉内空气中的损耗，且该技术预计可实现能耗降低超50%。就生产及成本而言，通过该技术仅需额外增加原丝表面改性工序，以及稍许涂覆吸波材料的成本投入。
科技创新，赋能产业高质量发展！当前，中国碳纤维产业已经历从无到有，来到从有到优的阶段，部分高性能PAN基碳纤维生产技术已经逐渐接近于国际领先水平。
未来，精工科技将继续深耕碳纤维装备技术革新与工艺优化，不断探索碳纤维的低成本化创新生产，与行业一起，共赢碳纤维新材料的广阔应用未来。
