國內外碳纖維技術進展 zund G3 3XL-2500-Airbrush foil台中雷射切割雕刻代工－王香馨焦點新聞熱搜

1　背　景

　　碳纖維是一種纖維狀的無機碳素材料，含碳量通常超過90％，依性能與含碳量分為普通碳纖維和石墨纖維。由有機纖維或低分子烴為原料，在惰性氣氛中經高溫炭化制得。碳纖維具有高強度、高模量、低密度、低膨脹、耐腐蝕、耐高溫、抗蠕變、抗疲勞和導電性好等優點，碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及碳素等基體進行復合，組成復合材料。廣泛應用于航空航天、石油化工、醫療機械、土木建筑、文體休閑以及汽車、電
信等領域，被認為是高科技新型工業材料的典型代表，倍受世人矚目。
　　近年來，高性能碳纖維以其卓越的性價比，軍工上重要的戰略地位和巨大的工業應用市場，吸引著上許多和地區投入大量的人力、物力和財力進行研制和開發，碳纖維工業得到了迅猛的發展。
　　用于制備碳纖維的前驅體很多，如聚丙烯腈(PAN)、纖維素、瀝青、聚酰亞胺、聚乙烯醇、酚醛樹脂、聚苯并噻唑等。但到目前為止，取得工業化生產的僅有聚丙烯腈(PAN)、瀝青或粘膠三種，其中由PAN原絲制高性能碳纖維(PAN・CF)，生產工藝較簡單，因而發展迅速；目前PAN-CF產量大、應用多，占碳纖維總量90％以上。瀝青基碳纖維雖模量高，但強度較低；制備高性能碳纖維，需先將原料轉化為中間相瀝青、脫除雜質及不溶物，使成本增加，再加上技術難度大，其發展遠遜色于PAN-CF。粘膠基碳纖維在軍工和航天領域有特殊價值，但因其碳化收率低、熱解反應復雜、加工過程長和能耗高等缺點，總趨勢將是逐步被PAN-CF取代。
　　上PAN基碳纖維的生產，在上世紀的六十年代起步，經過幾十年的飛速發展，到二十一世紀初已大規模商用，日本東麗公司處于上高性能碳纖維研究發展的領先地位，其生產的T300的拉伸強度穩定在3.53GPa，屬于公認的通用級品牌，目前T300已逐步被T700取代，T700將成為新一代通用級碳纖維。現在已分化為以日本為代表的小絲束碳纖維(12K以下)和以美國為代表的大絲束碳纖維(48K以上)兩大產品類型。日本東麗公司目前在高性能碳纖維研究發展中處于領先地位。
　　碳纖維發展目前體現出三個特點。個特點是碳纖維綜合性能的不斷提高。根據原子間結合力模型，計算出碳纖維的理論抗拉強度可高達180GPa，但高水平碳纖維T1000的抗拉強度為7.02GPa，僅為理論值的3.91％，實驗室數據也僅達到8.05GPa，為理論值的4.47％。提高PAN原絲的細旦化、細晶化、均質化和致密化，減少表面缺陷和結構缺陷，提高碳纖維的力學性能是發展的必然趨勢。碳纖維發展的第二個特點是大絲束聚丙烯腈基碳纖維的發展。大絲束碳纖維是指每束碳纖維的根數等于或大于46000～48000根的碳纖維。大絲
束碳纖維的優點是可以采用民用聚丙烯腈纖維制備大絲束碳纖維，具有較高的性價比。碳纖維發展的第三個特點是在民用領域的發展。隨著經濟和技術的發展，碳纖維產量的增加和價格的下降，在土木建筑、能源交通、環保農業等民用領域得到了廣泛應用，而且用量急增。

2　碳纖維發展

　　我國碳纖維的研制起步并不晚，取得了些進展與成果，但總體發展較為緩慢，而且產品質量不太穩定，大多數達不到T300水平。我國研制生產高性能碳纖維的技術有3項關鍵技術沒有很好過關：一是聚丙烯腈原絲；二是碳化工程化技術；三是表面處理技術。雖然經過了一段時期的發展，但是與國外的技術水平還存在一定的差距。
　　(1)PAN原絲質量不過關，規格低。國產PAN碳纖維原絲在生產過程中大部分采用民用腈綸原液，雜質含量較高，質量穩定性差，變異系數大，毛絲斷頭多，分纖性差以及油劑等問題，不能制得高質量的原絲。
　　(2)大部分國產碳纖維未經過表面處理，制成復合材料層間剪切強度偏低。沒有經過表面處理的國產碳纖維不能用作高性能要求的先進復合材料增強體，也不能在航空、航天等國防部門中用來制作主承力構件。
　　(3)尚未形成經濟規模，價格太貴，成本組成不合理。國產碳纖維目前售價太高，遠比國外進口的價格要高。我國碳纖維之所以價格昂貴，有很多不合理因素。如成本結構存在問題，據我國某碳纖維廠對碳纖維成本的粗略統計，原絲費用約占碳纖維成本的25％，而車間費用約占碳纖維成本的44％。
　　(4)品種單一、規格單一，碳纖維來源大部分依賴于進口。根據不同行業、不同產品、不同零部件的不同需求，希望能采用不同類別、不同品種、不同規格的碳纖維。除了供結構材料使用的碳纖維，還希望有供功能材料使用的碳纖維，而我國目前碳纖維只有相當于T300的一個品種。
　　(5)PAN基碳纖維質量低。國產PAN基碳纖維性能指標僅能達到或接近T300的水平，而國外T300以逐漸為強度高達4900MPa、模量高達230GPa的T700所取代，還發展了高強高模量的M―J系列碳纖維產品。
　　我國碳纖維的研制起步并不晚，取得了些進展與成果，但總體發展較為緩慢，具體為：1960年代意識到碳纖維的重要性，即由長春應用化學所率先進行PAN碳纖維的研究。1975年11月，中央軍委和國防科工委主持召開全國碳纖維“7511”會議，組織各方力量對PAN碳纖維進行攻關。1970年代后期突破連續氧化和碳化技術，1976年在山西煤化所建成我國條PAN基碳纖維中試線(2t／a)。1980年代開展高強型碳纖維研究，利用聯合國和政府配套資金，北京化工大學開始PAN基碳纖維及原絲基地建設。1998年在泰安建成了年產40噸的PAN-CF生產線，拉伸強度達3.84GPa，拉伸模量為235.6GPa，斷裂伸長率為1.6％。近40年的研究及產業化試制，先后建成了年產幾百公斤、幾噸、幾十噸中試裝置，但因對技術難度估計不足、資金投入不力、科研力量分散、研究欠缺深人、技術缺乏創新，碳纖維技術水平、生產能力和產品質量都與國外先進水平存在較大差距，并嚴重制約了我國軍用、民用復合材料產業的發展。
　　進入21世紀，國內碳纖維產業發展明顯加速、生產技術向多元化發展。2005年安徽華皖碳纖維公司投資達2.3億，全套裝置引進500t／a原絲、200t／a PAN-CF生產線，填補了我國碳纖維及原絲工業化空白。吉林吉化公司放棄硝酸法原絲制造技術，“十五”期間開展以DMSO為溶劑的濕法紡絲研究(并獲成功)，2004年在5t／a裝置上獲得相當T300碳纖維。嘉興中保與大連大橡塑合作，2005年承擔發改委產業化項目，采用大絲束預浸料的裝備技術實現碳纖維規模化生產，成功建立預浸料生產線，當年實現營業收入6600萬和凈利潤444萬。2005年山西恒天進行碳纖維原絲產業化開發，對DMSO聚合紡絲進行技術跨越，獲得年產200噸原絲技術；近三年投入上千萬，形成年產1200噸／T300原絲產能；2009年3月其首批產品供給中鋼吉碳成功使用。2005年9月連云港神鷹新材料公司開始碳纖維研發，2006年5月攻破生產設備和碳化工藝難關，建成年產500噸原絲和220噸PAN-CF生產線。2007年10月復合材料集團加入，成立中復神鷹碳纖維公司；2008年底建成2500t／a原絲和1000t／a碳化線。2009年以T700為重點開發規模生產技術和工藝裝備，建設2000t／a生產線，2年內達產碳纖維3000t／a，有望成為我國大碳纖維生產基地。
　　我國碳纖維的現狀為了T300通用級產業化已取得突破性進展，百噸級和千噸級碳纖維已投入生產；T700級正在進行中試放大，T800級正在實驗室研制。目前國內有一兩個單位的產品品質已超過T300級的性能指標，達到了T400級水平，并且可以小批量生產。這處于上世紀80年代日本東麗公司在碳纖維研發方面的水平。從總體形勢來看，我國當前處于由T300通用級向高性能的T700和T800發展的過渡期。但是由于應用領域的不同，對碳纖維及其復合材料的質量要求也不同。也就是說，僅有通用級T300是遠不能滿足市場需求的。因此，必須研制高性能的T700、T800和T1000級的碳纖維。研制高性能碳纖維已是當務之急，在高性能碳纖維方面，與國外的技術水平還存在一定的差距。這就要求我國能借鑒國外先進經驗，加強產學研用緊密結合，建立相關機制，把高性能纖維產業發展上升到戰略高度，使我國碳纖維產業能夠快速健康地發展。

3　碳纖維發展的新形勢與未來發展趨勢

　　2011年碳纖維的發展勢頭比預期的好，各大碳纖維公司都恢復了原擴產計劃，亞洲新興紛紛推出聚丙烯腈基碳纖維(PAN-CF)的產業化計劃，近伊朗也宣布建成了首套PAN-CF生產線，八家碳纖維企業壟斷的格局被徹底打破。亞洲現已成為碳纖維的主產地和主要消費地區之一，到2015年亞洲有望成為引領碳纖維產業發展的主要牽引力。到2020年碳纖維產業格局將發生重大變化。2010年以來國內外風電的發展明顯減速，而波音787飛機交貨期再次延后，加上發達經濟持續低迷，因此勢必出現短期內的供過于求的局面。
　　2010年工業用途的需求量已占PAN-CF總需求的50％以上，而航空航天約占25％，預期到2020年工業領域的需求可望增至75％，而航空航天領域盡管B-787、A_380、A-350和COMACC919等大型項目的需求會增長，但所占碳纖維總需求量的比例仍將下降至20％左右。風力發電葉片是未來PAN-CF的一大市場，預計到2019年將生產2~7萬臺風機及8.2萬片葉片，其中CFRP葉片將占全部葉片材料的6％左右，即需求量接近5萬t／a。2010和2019年風能所需碳纖維量各將達到9990t和64190t。另一具有較大增長潛力的CFRP終端市場是壓力容器，特別是汽車的壓縮天然氣瓶(CNG)，2010年需求量為1480t，到2019年有望增至11470t，將增長8倍，約占碳纖維總用量的10％。CFRP在飛機結構材料的使用上限約為50％～55％，除B-787和A-380外，目前正在開發中的支線飛機(小于200座的窄體商用飛機)有2種，一是上海的COMAC C919，另一種是莫斯科的蘇霍伊100民用飛機，它們預計將采用30％～37％的復合材料。
　　我國的風電業已失去的扶植和補貼，在激烈競爭環境下，風電企業將更多考慮經營成本和風險，不僅要考慮每千瓦的造價，更要重視度電成本，從風電投資、風電場運營維護成本和發電量等綜合考慮。這樣，將有利于葉片的大型化和碳纖維化。東麗計劃到2020年在韓國建成17Kt／a的PAN-CF廠。我國2010年有3家千t級的PAN-CF企業，2011年包括建成試車的約有6～8家，包括2家3000t／a的廠家2012年可望發展到15～16家，到2012年將有大小PAN-CF廠家約35家，只生產PAN原絲的廠家約4-5家。2011-2013年將是我國30多家PAN-CF廠全面實現產業化的重要時期，但也是面臨從實現設計產能向能生產合格產品的實際產能過渡的關鍵期，同時將出現供過于求并邁入市場激烈競爭的艱難時代。2015年我國PAN-CF產業將基本配齊高強型、高模型和高強高模型的基本品種而需求量預期將以30％~40％的高速增長，屆時以日、中為首的亞洲新興有望成為引領PAN-CF產業發展的牽動力。到2015年我國還將出現十來家瀝青基碳纖維企業，參與國內市場競爭。到2020年由于目前出現的嶄新工藝技術，將以其廉價和可再生資源為原料或以其高效、節能的工藝和超高性能產品的優勢，而勢不可擋地快速產業化，這將有可能改變未來碳纖維產業的發展格局。可見，2013～2015年是PAN-CF的建設高峰期，也將是碳纖維出現新一輪供過于求的時期。

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