需求和創(chuàng)新引領(lǐng)碳纖維產(chǎn)業(yè)步入新的快速道

羅益鋒 羅晰旻

在航空航天、汽車、風電、日用消費品和國防軍工等主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的需求推動下，碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新力度不斷強化，創(chuàng)新成果正引領(lǐng)該產(chǎn)業(yè)步入良性循環(huán)的快車道。

碳纖維（CF）的研發(fā)方向正朝低成本的通用級和超高性能的高端產(chǎn)品發(fā)展。表面處理劑和上漿劑的不斷改進和品種的增加，以及復(fù)合材料界面納米水平的結(jié)構(gòu)控制，使CF在碳纖維復(fù)合材料（CFRP）中的力學(xué)性能愈加發(fā)揮到極致。CF及其混雜織物的多種機織、編織類型和品種的多樣化，以及非織造布、預(yù)浸帶、預(yù)浸布、單向片材等復(fù)合材料中間產(chǎn)品的系列化和差別化，可為用戶提供最佳的材料設(shè)計和產(chǎn)品解決方案，意味著碳纖維進入“量體裁衣”的新時代。

一、低成本CF在歐美正取得新突破

德國碳纖維產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（MAI）是德國聯(lián)邦政府主導(dǎo)，由CF廠家、樹脂廠家、飛機制造商、多家汽車廠商和幾家大學(xué)及科研所組成的產(chǎn)業(yè)鏈組織，一期投入800萬歐元計劃于2017年使大絲束PAN-CF的成本下降90%，目前已降低50%。

美國橡樹嶺國家實驗室的腈綸基PAN-CF，已建成大型中試線，預(yù)期成本至少可減少50%。

美國能源部清潔能源制造創(chuàng)新公司獲能源部資金支持，開發(fā)由農(nóng)業(yè)廢料生產(chǎn)生物質(zhì)丙烯腈，成本只有2～3美元/kg，預(yù)期到2020年所生產(chǎn)的生物質(zhì)PAN-CF、成本可達11美元/kg，相當于目前T300成本的1/2。

東華大學(xué)研發(fā)的PAN與木質(zhì)素混紡制原絲的技術(shù)，具有中國特色，期望早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

二、高端PAN-CF獲驚人發(fā)展

表1所示為各公司生產(chǎn)出的超高性能PAN-CF對比。

韓國曉星集團從開始研發(fā)至今僅花6年時間，便突破T800水平的產(chǎn)業(yè)化。我國至少有7家企業(yè)達到了T800的性能水平，但穩(wěn)定性有所差異，其中浙江泰先新材料股份有限公司近期的滿卷率達到100%，合格率85%～90%，威海拓展和常州中簡等公司也基本可穩(wěn)定生產(chǎn)。

江蘇航科復(fù)合材料科技有限公司最近已開發(fā)成功相當于T1000的PAN-CF，并向M50J發(fā)展。此外，全新的PAN高速紡絲和CF特殊處理技術(shù)的出現(xiàn)，使產(chǎn)品性能提高到驚人水平，期待兩三年后實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

三、新的需求助推碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

B-787加長型機種和A-350等投入商業(yè)生產(chǎn)，以及2015年、2017年和2020年美、歐、日和我國節(jié)能環(huán)保型汽車法規(guī)的實施，加上美國為首油頁巖氣和天然氣的開發(fā)利用、大型風電和海上石油平臺逐步向深海區(qū)發(fā)展、應(yīng)對第5期地震活躍期的建筑加固業(yè)的興起，以及新一輪軍備競賽，有力地推動CF產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

赫氏公司投資2.5億美元在法國南部的Osirisz工業(yè)區(qū)，興建大型PAN原絲和PAN-CF廠，2015年開工，預(yù)計2018年初建成投產(chǎn)，具體規(guī)模尚未透露，主要生產(chǎn)高強中模PANCF，面向A-350飛機，2014年底試飛，2015年和2016年空客A-350各生產(chǎn)50和100架。

韓國曉星集團為滿足國內(nèi)火車和公共汽車等的CFRP化計劃，并看中中國未來迅速增長的CF需求量，增強與本國泰光、韓國TAK和新上的MSC Korea（PAN原絲由日本東麗公司進口）及中國廠家的競爭，制定了龐大的擴產(chǎn)計劃，在現(xiàn)有4 000t/a PAN原絲和2 000t/a PAN-CF基礎(chǔ)上，將于2015年、2017年和2020年使原絲產(chǎn)能分別提升至13 000t/a、21 000t/a和29 000t/a，而 PAN-CF各擴大至6 500t/a、10 500t/a和14 500t/a。

東麗在美國的子公司CFA已于2014年9月新建2 500t/a的PAN-CF新生產(chǎn)線，使小絲束CF總產(chǎn)能達到26 100t/a，并計劃2017年在南卡州再建新的PAN原絲、CF至預(yù)浸料廠，其中CF為2條2 000t/a的生產(chǎn)線，產(chǎn)品面向B-777X飛機，其主翼長71m，是全球最大級別飛機。

日本東邦Tenax目前不盲目追求PAN-CF在全球所占份額，但到2020年考慮從目前的20%～30%市場份額擴大至50%左右。

三菱麗陽在美國加州的子公司“三菱麗陽碳纖維與復(fù)合材料公司”，到2016年中期將現(xiàn)有2 000t/a PAN-CF產(chǎn)能翻番至4 000t/a，滿足風電、汽車、CNG和氫氣瓶快速增長的需求。

俄羅斯近期正加速改變PAN-CF落后的局面，2014年已將Argon和Alabug兩廠的產(chǎn)能各提高至1 500t/a，滿足軍工和航空航天等的需求。

德國西格里集團（SGL）也計劃于近期擴大大絲束PAN-CF的產(chǎn)能，在葡萄牙的PAN原絲產(chǎn)能也相應(yīng)擴充。我國康德投資公司在河北廊坊投資的中安信科技發(fā)展有限公司，目前正緊張建設(shè) 5 000t/a PAN原絲和1 500t/aPAN-CF生產(chǎn)廠及3t/a的PAN-CF試驗線，原絲和碳絲裝置各由意大利蒙得公司和美國哈博公司引進，2014年12月小試線已制作完畢并在美進行了驗收。二期工程將再建2條1 700t/a的碳絲線和10 000t/a的原絲生產(chǎn)線，并同步建設(shè)的中德合資i8 CFRP電動汽車項目。i8的最終產(chǎn)量為40萬輛/a，約需40 000t PAN-CF。

連云港中復(fù)神鷹碳纖維公司到2015年的PAN-CF產(chǎn)能將擴大至5 000t/a。江蘇恒神纖維材料有限公司經(jīng)過近幾年的努力改進生產(chǎn)技術(shù)和提高生產(chǎn)效率，目前PAN-CF產(chǎn)能已達到4 000t/a，到2015年可望達到5 000t/a的規(guī)模。

四、PAN-CF為下游客戶“量體裁衣”

日本東麗是唯一的超級PAN-CF廠家，擁有小絲束、大絲束PAN原絲以及從預(yù)氧化到碳纖維的20多品種，還有各種織物、單向片材到預(yù)浸料等中間產(chǎn)品及飛機和汽車等CFRP部件。

赫氏也擁有從原絲到碳絲的10種牌號、53種CF織物結(jié)構(gòu)、12種全球最高水平航天級織物結(jié)構(gòu)、18種商用織物結(jié)構(gòu)、17種熱處理的平紋織物、4種防雷擊織物（如圖1）、6種CF與 Kevlar等混雜織物及2種特種織物。

赫氏公司的Primetex ZB CF加工織物，可使絲束均勻平鋪，具有薄而輕質(zhì)的均一外觀，孔隙少、力學(xué)性能好。赫氏還擁有從預(yù)浸料、樹脂體系、粘合劑、復(fù)合材料及其制品的全套產(chǎn)業(yè)鏈。還有CF、GF和Kevlar非織造布?？蔀轭櫩驮O(shè)計所需產(chǎn)品，提供完整的解決方案。值得學(xué)習的是，赫氏公司可垂直整合相關(guān)產(chǎn)業(yè)的供應(yīng)商，以便更好控制成本、質(zhì)量和產(chǎn)品供貨。

美國氰特工業(yè)公司（簡稱“氰特”）擁有從丙烯腈、PAN原絲、碳纖維至CFRP部件的更長產(chǎn)業(yè)鏈，還有世界領(lǐng)先的中間相瀝青碳纖維（MP-CF），其中K1 100的模量高達930GPa，系全球最高水平之一。氰特還生產(chǎn)風電、海浪發(fā)電及潮汐發(fā)電葉片用CF、織物、預(yù)浸料、薄膜粘合劑、真空袋組件及可反復(fù)使用的軟模具，以及葉片的CFRP主梁和蒙皮。

意大利G.ANGELONI公司是有94年歷史的生產(chǎn)先進復(fù)合材料用高技術(shù)織物與單向帶專業(yè)廠家，1～3KCF有23種織物、6KCF有11種、12KCF有17種，24KCF有11種織物規(guī)格，單向CF織物18種、熱處理UD-CF織物11種、船用12K和24K CF織物15種，12～24KCF熱固定UD織物5種，多軸CF織物7種、CF與芳綸（Twaron）混雜織物12種、CF與黑聚酯纖維混雜織物3種、CF與玻纖混雜織物4種、CF與有色聚酯纖維混雜織物3種、CF與聚芳酯纖維Vectran混雜織物6種（如圖2所示），土木工程用UD布、UD帶、UD熱固定網(wǎng)和布共28種，都是CF和GF或熱塑性紗的混雜品（如圖3所示）。

美國Concordia纖維公司擁有94年從事各種工業(yè)紗和纖維的織物等的設(shè)計經(jīng)驗，包括CF、陶瓷纖維及可生物吸收纖維及其混雜織物，用于復(fù)合材料、動力傳送帶、氣囊和濾材等用途，還有加捻CF、CF/PEEK混雜纖維、CF/PPS混雜編織繩、CF/尼龍混雜紗編織的網(wǎng)球拍柄（圖4）、CF/PPS混雜纖維編織的異形管（圖5）等。

美國Innegra技術(shù)公司生產(chǎn)高性能聚烯烴纖維“Innegra S”（強度8cN/dtex或667MPa）及它與CF、GF、玄武巖纖維的混雜紗“Innegra H”，它與CF的混紡比為26/74、41/59、34/66和28/72。

法國Chomarat紡織工業(yè)公司是專業(yè)生產(chǎn)3K、12K和12KCF織物及各種雙軸織物廠家，共有31個品種，還有附著環(huán)氧樹脂粉的產(chǎn)品，皆用于制備CFRP制品。

我國已有幾十家CF等織物的生產(chǎn)廠家，但品種和質(zhì)量遠不及國外大企業(yè)的產(chǎn)品?？傊?，CFRP中間產(chǎn)品的豐富多樣性，為下游客戶提供了可選擇的廣闊天地，對助推CFRP市場開發(fā)有重要意義。

五、技術(shù)創(chuàng)新推動成型過程的革新

德國SGL的“Sigrafil C”大絲束CF有4種產(chǎn)品，其中“C30 TO 50 TPI”是經(jīng)特殊上漿劑處理的50K PAN-CF，專用于CFRTP（增強熱塑性樹脂）。圖6對比采用該上漿劑和普通上漿劑的CF綜合性能和極限氧指數(shù)（LOI）。

日本東邦公司Tenax開發(fā)經(jīng)特殊上漿劑表面改性的高速固化型CF預(yù)浸料，采用該連續(xù)CF在150℃只需3min即可制成物性優(yōu)良的CFRP成型體。與以往的預(yù)浸料相比，加工效率提高30倍，現(xiàn)已形成5萬個/a的飛機或汽車部件生產(chǎn)線。

日本東麗采用快速成型固化劑開發(fā)了高速RTM成型法，并試制成功單殼體概念車，其能量吸收性比普通法提高3倍。2013年利用新技術(shù)生產(chǎn)的纖維開始量產(chǎn)，2014年應(yīng)用于GM公司新車型上。

有1種代號為BPH的全新固化劑，選用RTM成型法只需1min就可完成大型或復(fù)雜形狀的CF增強環(huán)氧熱固型部件的生產(chǎn)，尺寸精度高。

六、復(fù)合材料成形工藝助推新市場的開拓

日本東邦公司Tenax開發(fā)了高效生產(chǎn)熱固型CFRP的技術(shù)，首先將熱固性樹脂附著于CF上，制成粘合纖維，然后自動制成預(yù)成型體（PVP法），這種通過預(yù)成型體生產(chǎn)CFRP部件的技術(shù)已應(yīng)用于部分汽車廠家。

這種PVP法無需使用CF片材等中間基材，可直接從CF制作所需部件形狀的預(yù)成型體，因此可減少CF邊角料的產(chǎn)生，并有利于實現(xiàn)制造過程自動化而減少工序，降低成本。還可以將無規(guī)的CF與單取向的CF組合起來，形成有特性要求的最合適預(yù)成型體及高速CFRP成型的技術(shù)。

ランクセス公司成功地實現(xiàn)CFRTP制造過程的革新，可以連續(xù)生產(chǎn)具有各種不同角度連續(xù)纖維取向的大型板加工成的復(fù)合材料制品（如圖7所示）。由于具有多樣的機械特性，可望生產(chǎn)高剛性的汽車結(jié)構(gòu)部件和準結(jié)構(gòu)部件，如汽車前端循環(huán)進位器、踏板、坐席部件、電氣電子元件、氣囊罩等。樹脂基體有尼龍（PAM）、聚丙烯（PP）、聚氨酯（PU）、聚碳酸酯（PC）、聚苯硫醚（PPS）等。

サイバネツト系統(tǒng)公司開發(fā)了CFRP的RTM成型法模擬綜合系統(tǒng)，以支持CFRP部件的量產(chǎn)化（CAE）。由于可預(yù)測RTM成型過程的改進和成型后的強度和形變，因此可減少研發(fā)成本和時間。

茨木工業(yè)公司從東陽機械金屬公司引進采用碳長絲增強熱塑性樹脂直接成型法“LFT-D”所需的混煉機，可以進行織物和UD片材等相組合的混雜成型，可省去再加熱工序，因此模壓時間只需1min?？捎玫臉渲蠳-6、PEEK、N-66、PMMA、PPS、PEI等，纖維的體積含量為30%～40%。產(chǎn)品應(yīng)用目標為飛機、汽車和家電等。

七、CF和CFRP新用途和新產(chǎn)品

美國AFN先進纖維非織造布公司是Hollingsworth&Vose的子公司，上市了鍍鎳的CF非織造布和CF/GF混雜吸波非織造布，各有8種和4種規(guī)格。用途有燃料電池部件、集成電路板穩(wěn)定層、蜂窩結(jié)構(gòu)面板、EMI屏蔽材料、大罐和管道復(fù)合材料等。

日本東邦Tenax首次公布鍍鎳PAN-CF“HTS 40 A23 12K 1420tex MC”的具體指標：強度2 900MPa、模量225GPa，斷裂伸長率1.3%，線密度1 430g/km、密度2.70g/cm3，直徑7μm，電導(dǎo)率1.0×10-4Ω·cm。

T e c h n i c a l F i b e r Products（TFP）公司生產(chǎn)全球最輕質(zhì)均勻的薄型CF濕法成型非織造布（最輕2g/m2）（如圖8所示），用于飛機燃油系統(tǒng)復(fù)合材料等，還有金屬涂覆CF非織造布，最大幅寬可達2m。

Staiibil Robotics公司研制出RX170hsm高速機器人（如圖9所示），用于加工大型CFRP汽車和飛機部件，如長數(shù)m的部件，重復(fù)率為±0.04mm。波音和Russell Brands公司共同開發(fā)Carbon Tek橄欖球運動員墊肩系統(tǒng)（圖10），防護性能好。Scigrip公司開發(fā)了CFFRP太陽能船，其結(jié)構(gòu)僅重137kg（如圖11）。

Plastic Comp公司開發(fā)了擠出成型的CFRTP電子消費品外殼，取代鎂合金，如手機外殼等，可減重40%。

日本Organisations class NK和 Nakashima propeller公司首次開發(fā)直徑2.12m的船舶螺旋槳推進器（圖12），達到輕量、節(jié)能的目的。

寧波大成新材料股份有限公司和奇瑞汽車公司合作，試制成功C F和超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維交織增強樹脂制的汽車引擎蓋和電動汽車電池箱，既輕又抗沖擊。

八、復(fù)合材料用先進設(shè)備和部件

英國Hope Technology公司利用BlacKman& white公司生產(chǎn)的自動切割機，組裝成新型快速切割不同形狀CF預(yù)浸料的設(shè)備，可高效制備自行車座椅支撐件（圖13）等CFRP部件。美國也有公司生產(chǎn)相仿的CF預(yù)浸料自動切割裝置，在2014年10月美國CAM展覽會展出并現(xiàn)場操作，但不許向中國輸出。

DD-Compound公司開發(fā)一種可用于控制樹脂在真空灌注過程流速的MTI閥（圖13），可將它置于軟管中精確而又穩(wěn)定加工成各種尺寸和復(fù)雜的CFRP或GFRP部件，從各種小飾件到風電葉片等皆可，加工時間可縮短。

九、未來碳纖維大發(fā)展的主推市場

今后較長時期內(nèi)，航空航天含軍工和汽車是CF大發(fā)展的2大支柱，到2020年預(yù)期其CF需求量將各達到23 000t/a左右。這2大支柱產(chǎn)業(yè)都是龐大的系統(tǒng)工程，需要由政府進行頂層設(shè)計和主導(dǎo)，組織產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)。

汽車是CF的新興市場，節(jié)能減排是其推動力，發(fā)展方向是輕量化和電動化，要達到消耗每立升汽油的既定里程目標和可持續(xù)發(fā)展，涉及到材料的超輕量化和低成本化、再生技術(shù)、新型電池、動力電子系統(tǒng)的高效化、馬達和傳感器的改進。

在汽車材料的輕量化方面，日本新一代汽車的研發(fā)路線圖目標是：到2020年混雜車體和部件實現(xiàn)3/4輕量化，到2025年多種材料結(jié)構(gòu)體輕量化2/3，到2030年創(chuàng)新的多種材料結(jié)構(gòu)體輕量化1/2，材料再生率98%以上。

在電動汽車的電池方面，目前占主導(dǎo)的鋰離子電池存在充電時間長、續(xù)駛距離短、體積大、質(zhì)量重、成本高和安全問題，今后改進型的鋰離子電池和新型電池的電極材料、燃料電池的高壓氫氣瓶和擴散層等，都需要CF材料。

寶馬i3全電動汽車2013年以來已售出數(shù)萬輛，其CFRP車體剛性和乘客的優(yōu)良保護性，獲各界贊譽，它比鋁制品輕量30%，今后期待進一步改進CFRP的擠出成型和壓制成型技術(shù)的進一步提高，以確保材料的高強度和更優(yōu)的表面品質(zhì)。

十、結(jié)語

目前我國的CF生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、產(chǎn)品質(zhì)量、應(yīng)用研究和新市場開發(fā)能力，與國外發(fā)達國家差距甚大，而且嚴重存在小而散、低水平重復(fù)建設(shè)問題，一方面要加大現(xiàn)有工藝技術(shù)的創(chuàng)新力度，而更重要的是走跨越式發(fā)展的道路，采用全新的高效工藝技術(shù)，才能在較短時間內(nèi)具備國際競爭力，滿足現(xiàn)代國防的急需。

要重視各種輔料、助劑的配套研發(fā)，早日形成國產(chǎn)化的系列品種。重視CFRP中間制品的研發(fā)和品種系列化、多樣化，滿足市場的多方面需求。CFRP成型工藝技術(shù)和設(shè)備的改進，對降低成本、提高質(zhì)量和擴大應(yīng)用至關(guān)重要。國外的成功研發(fā)經(jīng)驗和組織結(jié)構(gòu)，值得我國借鑒和學(xué)習，在此基礎(chǔ)上逐步形成自己的特色和優(yōu)勢。