国内外碳纤维的发展现状分析

-1-国内外碳纤维的发展现状分析摘要：介绍了碳纤维的基本特性，概述了世界及中国碳纤维的发展概况。详细论述了碳纤维在航空航天、体育用品、工业领域应用的最新进展。碳纤维是一种物理化学性能优异的新型纤维，其在三大领域的应用前景非常乐观。关键词：碳纤维复合材料发展应用前言随着工程技术和材料科学的发展，对材料性能的要求越来越高。有关先进复合材料的研究、发展和应用一直是高科技材料技术的重要内容之一，而碳纤维及其碳纤维复合材料在此领域则占有举足轻重的地位。其主要原因：它是一种技术和用途十分广泛的树脂基复合材料，以碳纤维为增强材料，合成树脂为基体材料，通过各种成型工艺复合而成的碳纤维复合材料，是一种高性能新型结构材料；它是一种强度比钢大十多倍、密度比铝合金还低，且还有许多宝贵的电学、热学和力学性能；在现代航天航空等尖端技术发展中，已成为一种不可缺少的新型材料。因此，许多发达国家不惜投入大量人力、物力和财力，对碳纤维进行研制开发、完善和提高，使其质量不断提高，品种、型号和规格与日俱增，应用领域日益拓宽。1碳纤维发展概况1.1世界碳纤维发展概况近几年随着先进复合材料的发展，碳纤维需求激增，引爆了近年来世界性的碳纤维危机，这场危机从2005年开始日趋明显，至2007年达到极点。自碳纤维危机爆发以来，各大碳纤维生产厂商急剧扩张，扩大产能，缓解了碳纤维紧缺的供应情况。2008年下半年爆发了世界金融危机，实体经济受影响颇深，碳纤维的需求也有所回落。尤其是2009年经济衰退陷入最低谷时，很多碳纤维制造商也推迟或放慢了自己的发展计划。但是进入2010年以来，随着经济危机的好转，全球碳纤维市场出现快速回暖的迹象。巨大需求刺激碳纤维市场回暖，因此对碳纤维的需求总体仍处上升趋势。目前世界碳纤维产量达到4万t/年以上，随着碳纤维应用领域的不断扩大，碳纤维的市场需求日趋增加，碳纤维及其复合材料产业呈现良好发展态势。据相关部门预测，世界碳纤维需求将以每年大约13%的速度飞速增长，碳纤维的全球需求量2018年将达到10万t。全世界主要的碳纤维生产厂商是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司,美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德国SGL西格里集团、韩国泰光产业等少数单位。1.2我国碳纤维产业发展概况我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩,进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500t/年原丝、200t/年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平)，使我国碳纤维工业进入了产业化。-2-随后，一些厂家相继加入碳纤维生产行列。从2000年开始我国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。随着近年来我国对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料行业研发的热点。据不完全统计，目前拟建和在建的碳纤维生产企业有11家，合计生产能力为原丝7100t/年、碳纤维1560t/年，其中在建企业为4家，合计生产能力为原丝1100t/年、碳纤维470t/年。2009年，国内碳纤维产业多年来发展落后缓慢的局面得以改变，生产企业和投资基地都在不断增多，本行业的发展从此进入了一个全新的时期。但是与发达国家相比，我国目前的碳纤维生产能力（特别是高端产品）与国际水平还存在相当的差距：产能只占世界高性能碳纤维总产量的0.4%左右，大量碳纤维产品仍靠进口，真正国产化还需要一个漫长的过程。中复神鹰自主研发的年产1000吨碳纤维生产线于2008年10月顺利投料生产，2009年产量达到550吨,产销量位居国内第一位,有效缓解了国内碳纤维的供应紧张局面；威海拓展纤维有限公司也于08年引进了一条年产1000吨碳纤维生产线并顺利投产。但与发达国家相比，我国碳纤维产业刚刚起步，在产量和高端产品品种上仍还远远不能满足国防和国民经济建设的需要。1.2.1中国碳纤维产业发展中存在的主要问题1.从发展前景看，总结国际碳纤维产业发展历程，规模化生产是降低成本、参与市场竞争的重要前提。目前建设地点遍布东、中、西部20多个省（市），利益主体不同，规模大小不一，技术水平参差不齐，有些远离主要原料产地，难以做大做强，又难以整合。专家认为，中国建设3-5家碳纤维生产企业是合理的，通过优胜劣汰，大部分企业将难以生存，损失将是巨大的。2.从技术层面看，由于多数企业依靠“挖人战术”，造成师出同门，技术水平图1国内主要碳纤维研发和生产的厂家、能力及运行状况-3-和工艺路线处于同一档次，技术无特色，产品低质量，属于低水平重复建设。碳纤维技术被日本、美国等专利覆盖，我国企业缺乏核心自主知识产权的技术支撑，尚未全面掌握完整的碳纤维核心关键技术，因而影响了碳纤维的规模生产和全球销售。3.从市场需求看，制备增强树脂复合材料是碳纤维的主要市场，约占90%以上的市场份额，对碳纤维质量有较高要求，日本东丽公司T300的质量标准大体是质量门槛值，除少数企业外，国产碳纤维产品质量目前尚达不到这一门槛值，特别是在性能稳定性上差距较大，故难以进入树脂基复合材料市场。由于能耗、物耗高，国产碳纤维成本居高不下，无法与进口碳纤维争夺市场，与在建和拟建产能比较，今后一段时期国内外市场对国产碳纤维的消化能力不容乐观。4.从环保看，碳纤维原料丙烯腈属剧毒和易燃易爆产品，公安部门要求其运输半径不大于500km，不宜零星长距离运输；生产过程中的污水和废气治理技术难度较大，成本也较高，而且技术不成熟。国内碳纤维企业小而散的分布，加大了企业的安全和环保成本，不利于整个行业的可持续发展。2碳纤维的应用进展碳纤维传统应用领域主要有航空航天、体育休闲用品、国防军事，除此之外，汽车构件、风力发电叶片、建筑加固材料、增强塑料、钻井平台等碳纤维市场也正蓬勃兴起（图2）。2.1航空航天领域碳纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能，广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天业。例如采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机、卫星、火箭等宇宙飞行器，不但推力大，噪音小，而且由于其质量较轻，所以动力消耗少，可节约大量燃料。据报道，航天飞行器的质量每减少11kg，就可使运载火箭减轻500kg。2007年面世的超大型飞机空客A380，复合材料的密度已达23%。2010年问世的A350超宽客机，其高性能轻质结构所占比例已达62%，成为空客公司第一架全复合材料机翼飞机。轻质“外衣”不仅能有效克服质量与安全之间固有的矛盾，还能大幅降低飞机能耗。以A380为例，其首架飞机每位乘客的百千米油耗不到3L，而A350的百千米油耗预计只有2.5L人，几乎可以跟现在的小汽车媲美。波音787中结构材料有近50％需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料，包括主机翼和机身。金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量，而且还可以保证不损失强度或刚度，大大提高了燃油经济性。新一代的客机将使用更高比例的碳纤波音公司即将推出新一代高速宽体客机——“音速巡洋舰”，约60%的结构部件都采用强化碳纤维塑料复合材料，其中包括机翼，这种材料比铝更加轻便，但强度不相上下。据称，如果客机中所有部件都使用这种复合材料，那么，新型客机的飞行速度会提高15%～20%。碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。例如，三菱重工利用碳纤维复合材料制作新一代支线喷气客机MRJ主机翼和尾部组件，图2三大领域碳纤维用量百分比-4-该机型预计在2013年进入市场。2.2体育用品为了满足重量轻、刚性大的要求，传统的体育用品大多采用木材及其复合材料制品，但是，碳纤维增强复合材料的力学性能比木材高得多。由于碳纤维复合材料兼具树脂基体和碳纤维的特性，其性能随基体材料和碳纤维特性的不同而变化，且碳纤维的特殊性能让制造商控制产品的力学性能和动态性能，这并非金属等其他单一材料所能达到的。碳纤维增强复合材料的比强度、比模量综合指标在现有结构材料中是最高的。因此，它在体育用品方面得到了广泛的应用。碳纤维应用于高尔夫球棒始于1981年，目前全球每年的高尔夫球棒的产量为5000万根左右，主要产自美国、中国、日本和中国台湾省。多年来，碳纤维在高尔夫球棒中的使用率一直居首位，约占碳纤维体育用品用途的50%。高尔夫球棒使用碳纤维复合材料制备可减重约10~40％。这意味着，按照动量守恒定律，可使球获得较大的初速度。另一方面，碳纤维复合材料具有高的阻尼特性，可使球时间延长，球被击得更远。碳纤维在自行车行业的应用，使传统的自行车工艺走向高科技，轻型化。目前，全球的自行车中，级自行车和特别用途登山车约占5%。高级自行车的车构架、前叉部件、车轮、曲轴,以及座位支架等，比例可达30%～40%。碳纤维复合材料赋予了车体良好的刚性和减震性能，同时可实现轻质化。2009年7月，浙江力霸皇集团开发生产的一体式碳纤维竞赛型自行车，在欧洲市场卖出了10万元一辆的天价，并且市场反应相当不错。力霸皇公司从2006年即开始研究碳纤维材料在自行车上的应用，2008年取得突破性进展，成为国内率先生产碳纤维自行车的企业。这种用碳纤维制造的竞赛型自行车，质量仅9.5kg，为普通自行车的2/5，但是抗撞击能力却是普通自行车的8倍。碳纤维在其他体育项目的应用还包括冰球棍、滑雪杖、射箭和网球拍框架等，同时，碳纤维还应用在划船、赛艇、冲浪和其他海洋运动项目中。2.3工业应用2.3.1汽车构件碳纤维材料现在已成为汽车制造商青睐的材料,在汽车内外装饰中开始大量采用。碳纤维作为汽车材料,最大的优点是质量轻、强度大,采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展,并带来节省能源的效益。业界认为,碳纤维在汽车制造领域今后的使用量会越来越大。梅赛德斯-奔驰新推出的SLR迈凯轮超级跑车运用了高强度碳纤维复合材料。该车最高时速可以达到334km/h，0－100km的加速时间仅为3.8s。在SLR迈凯轮超级跑车中,车身几乎全部采用碳纤维复合材料制成。与钢材相比,碳纤维复合材料的质量只有钢的50%,而在碰撞中对能量的吸收能力却比钢或铝高出4～5倍。梅赛德斯-奔驰充分利用该材料的这些特性,不仅降低了车身自重,还可以为乘员提供最大限度的安全保障。设计者在SLR的前端结构中嵌入了两根620mm长的碳纤维纵梁,作为车头碰撞缓冲部件,在发生正面碰撞时,碰撞能量可以被有效吸收,从而确保乘员舱完好无损。碳纤维在国防军工中有举世足轻重的影响。碳纤维在新技术、技术进步、适应能力、转变技术、创新概念等方面起十分重要的作用。新武器装备的研制、小型化、轻质化、高强度、长寿命、机动性、稳定性等面的实施都离不开碳纤维的应用,碳纤维在国防军工中有举世足轻重的影响。2.3.2风力发电叶片风能发电成本低廉，已成为人类开发新能源的重要领域。预计未来5年，风能发电的市场需求将以每年15%～20%的速-5-度增长。然而，近年来虽然风力发电产业发展很快，但风力发电装备的关键部件（叶片）多使用玻璃纤维增强材料（GFRP）制造，难于满足叶片尺寸加大对刚性的要求。碳纤维增强材料（CFRP）在叶片上的应用，无疑将促进风能发电产业的发展。就风能系统而言，丹麦风机生产商维斯塔斯（Vestas）预测，到2020年全球的电力消耗量中，风电的份额最高将达到10%。该公司在风机叶片的载荷加强杆中使用碳纤维，目前为止已经安装了近3.4万套的风机系统。目前全球风能发电装机容量的增长速度正在加快，高碳纤维含量的长叶片制成的大容量风机将成为主要趋势。2.3.3建筑加固材料碳纤维自重轻，强度高，耐久性好、抗腐蚀能力强，可耐酸、碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强，是桥梁加固和建筑物抗震补强的理想材料。主要应用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等结构体之加固补强，以及结构中梁、板、柱、墙等构件之加固补强。近年来海外的需求量大增，日本的碳纤维耐震补强材料和技术已向海外扩展。此外，碳纤维管制的桁梁构架屋顶，比钢