聚丙烯腈基碳纖維（即PAN基碳纖維）在全世界的碳纖維生產(chǎn)中占據(jù)90%以上的比例。因而自20世紀(jì)60年代問世以來，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，成為當(dāng)今碳纖維工業(yè)的主流。

PAN 基碳纖維生產(chǎn)過程主要分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段是聚合，將純化后的物料進(jìn)行反應(yīng)，制備紡絲液；第二個(gè)階段是紡絲，將合格的紡絲液經(jīng)噴絲板壓出后變成PAN原絲，；第三個(gè)階段是原絲的預(yù)氧化、碳化階段，將原絲變成含碳量大于90%的碳材料。

1.聚合

制備PAN 基碳纖維一般采用丙烯腈和第二種單體共聚，這樣制備出的原絲在預(yù)氧化過程中為離子型反應(yīng)，容易控制，而且預(yù)氧化過程要求的溫度較低。常用的共聚單體有丙烯酸，衣康酸，馬來酸，丙烯酰胺肟等。要制備高性能的碳絲，所有原料都必須經(jīng)過純化后才能使用。

聚合是制備原絲的第一步，高質(zhì)量的聚合液是制備高性能原絲的前提。聚合結(jié)束后要進(jìn)行脫單，脫泡。高質(zhì)量的聚合液必須具備以下條件：合適的相對(duì)分子質(zhì)量和相對(duì)分子質(zhì)量分布，合適的粘度，合適的固含量，盡可能少的未反應(yīng)單體，盡可能少的氣泡等。聚合的方式有溶液聚合、懸浮聚合、乳液聚合和本體聚合，工業(yè)上采用最廣泛的是溶液聚合。溶液聚合常用的溶劑主要有N，N-二甲基甲酰胺（DMF），二甲基亞砜（DMSO），硝酸（HNO₃），硫氰化鈉（NaSCN）水溶液和氯化鋅（ZnCl₂）水溶液。DMF可以制備出高質(zhì)量的碳纖維，但是DMF有毒；硝酸法安全性差，污染嚴(yán)重；硫氰化鈉法和氯化鋅法因鈉離子和鋅離子會(huì)對(duì)碳絲質(zhì)量有很大影響，很難制備出高質(zhì)量的碳纖維；以DMSO為溶劑的制造工藝，具有技術(shù)成熟，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，被國內(nèi)外公認(rèn)為最先進(jìn)的工藝。

2.紡絲

紡絲是聚合液相分離成纖的過程，在這個(gè)過程中發(fā)生了聚合液細(xì)流與凝固液之間的傳熱、傳質(zhì)。絲條從噴絲板噴出后要經(jīng)過凝固浴、水洗、熱水拉伸、上油、蒸氣牽伸、熱定型等步驟最后成為PAN原絲。凝固浴的溫度、濃度（包括DMSO和NH₃的濃度）、拉伸比、循環(huán)量等對(duì)初生纖維相當(dāng)重要，初生纖維的性能指標(biāo)主要有截面形狀、微孔數(shù)目、結(jié)晶度、強(qiáng)度、取向度等。改變凝固浴的溫度和濃度可以調(diào)控雙擴(kuò)散的速度，以獲得截面圓形、結(jié)構(gòu)致密及強(qiáng)度高的初生纖維。任何非圓形截面的原絲在后續(xù)的預(yù)氧化和碳化過程中都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和放熱集中，影響碳纖維的性能。初生纖維經(jīng)過凝固浴后要進(jìn)入水洗，洗掉絲條中殘留的溶劑，避免預(yù)氧化過程中單絲之間發(fā)生融并，影響碳絲質(zhì)量。拉伸是提高纖維取向的最重要手段，在拉伸過程中，纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)取向增加，從而強(qiáng)度大大增強(qiáng)，在凝固浴中要負(fù)拉伸，減少斷絲，在其他過程中（除熱定型）要正拉伸，提高取向度，總的拉伸倍數(shù)一般都在5-8倍。上油的目的是增加纖維的集束性，減少單絲黏連和抗靜電性，而且油劑對(duì)提高碳纖維的強(qiáng)度也有一定貢獻(xiàn)約為0.5-1.0GPa。目前，高性能原絲上油劑多為硅系油劑。纖維經(jīng)過前面多步拉伸存在一定的內(nèi)應(yīng)力，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須經(jīng)過松弛熱定型，局部鏈段解取向，而整個(gè)大分子鏈仍保持對(duì)纖維軸的擇優(yōu)取向。

3.預(yù)氧化、碳化

PAN原絲要經(jīng)過預(yù)氧化，碳化后才能成為碳纖維。預(yù)氧化的目的是使PAN的線性分子鏈轉(zhuǎn)化為耐熱的梯形結(jié)構(gòu)，以使其在高溫碳化時(shí)不熔不燃，保持纖維狀態(tài)。目前工業(yè)化生產(chǎn)操作是使PAN 原絲通過160-300℃溫度梯度的空氣氧化爐進(jìn)行預(yù)氧化，再對(duì)預(yù)氧絲在高純氮中進(jìn)行300-800℃低溫度的碳化，最后再進(jìn)行1300-1600℃高溫度的碳化。碳化是碳纖維形成的主要階段，在該過程中除去大量的氫、氮及其他元素，使的碳含量超過90%。預(yù)氧化、碳化過程中要考慮溫度及其分布梯度，氧化、碳化時(shí)間，張力牽伸等工藝參數(shù)。要制備高模量的石墨纖維，則要在氬氣氣氛中對(duì)已經(jīng)碳化的碳纖維進(jìn)行超高溫石墨化，約在2600-3000℃。

碳纖維一般不單獨(dú)使用，而是作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體。由于碳纖維是在高溫惰性氣體中碳化得到的，碳纖維表面能小，與樹脂浸潤(rùn)性差，因此，必須對(duì)其表面改性。改性的方法有氣、液相氧化處理，等離子處理，電化學(xué)沉積，電聚合，纖維表面涂層及化學(xué)接枝等，工業(yè)上應(yīng)用較多的還是把碳纖維作為陽極進(jìn)行電解的電化學(xué)氧化技術(shù)，電解液一般為碳酸銨，或者碳酸氫銨。

美國是黏膠基碳纖維的發(fā)源地，日本是PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維的發(fā)源地。黏膠基碳纖維主要用于耐燒蝕材料和隔熱材料，占世界碳纖維總量不足1%，PAN基是碳纖維的發(fā)展的主流，占世界碳纖維市場(chǎng)的90%以上。世界PAN基碳纖維生產(chǎn)廠商主要有日本Toray（東麗）、Toho（東邦）、Mitsubishi Rayon（三菱人造絲），美國 Hexcel（赫克塞爾）、Amoco（阿莫科）和 Zoltek（卓爾泰克）等公司。日本東麗、東邦及三菱人造絲三家公司是PAN基碳纖維（小絲束）的著名生產(chǎn)廠家，三家的產(chǎn)量占世界碳纖維市場(chǎng)的75%以上。這三家公司依靠其多年來對(duì)紡絲工藝?yán)碚摰木ê图徑z新技術(shù)的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和開發(fā)方面的豐碩成果，生產(chǎn)出大量高性能碳纖維，使日本迅速成為世界碳纖維強(qiáng)國，無論質(zhì)量還是數(shù)量上均處于世界領(lǐng)先地位。東麗公司更是世界上高性能碳纖維研究、生產(chǎn)的“領(lǐng)頭羊”。

我國從20世紀(jì)60年代末就開始研制碳纖維，經(jīng)過40余年的發(fā)展，碳纖維從無到有，從研制到生產(chǎn)取得了一定成績(jī)，目前正處于快速發(fā)展階段。