碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及開發(fā)應(yīng)用

李建利,張新元,張　元,王海濤,趙領(lǐng)航

(陜西省紡織科學(xué)研究所，陜西西安 710038)

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碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及開發(fā)應(yīng)用

李建利,張新元,張?jiān)?王海濤,趙領(lǐng)航

(陜西省紡織科學(xué)研究所，陜西西安 710038)

摘要：介紹了碳纖維的發(fā)展史、分類、國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、需求及在航空航天、體育休閑、風(fēng)力發(fā)電、汽車、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用狀況，并提出了我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀需求應(yīng)用

0概述

碳纖維是由有機(jī)母體纖維(聚丙烯腈、黏膠絲或?yàn)r青等)在1000℃～3000℃高溫、惰性氣體環(huán)境下，高溫分解、碳化制成的含碳量90%以上的無(wú)機(jī)高分子纖維。它力學(xué)性能優(yōu)異，比重不足鋼的1/4，而其復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度是鋼的7倍～9倍；楊氏模量是傳統(tǒng)玻璃纖維(GF)的3倍，是凱夫拉纖維(KF-49)的2倍。耐高溫性能好，在2000 ℃的高溫惰性環(huán)境中，碳纖維是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)，這是其它金屬及合金類結(jié)構(gòu)材料無(wú)法比擬的。另外，碳纖維還具有耐化學(xué)腐蝕、導(dǎo)電、膨脹系數(shù)小、減震、低密度等優(yōu)異性能[1]，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)不可缺少的戰(zhàn)略新型材料，在國(guó)際上被譽(yù)為“黑色黃金”。

1發(fā)展史

1.1國(guó)外

18世紀(jì)中，英國(guó)人斯旺和美國(guó)人愛迪生利用竹子和纖維素等經(jīng)過一系列后處理制成了最早的碳纖維，將其用作燈絲并申請(qǐng)了專利。20世紀(jì)50年代，美國(guó)開始研究粘膠基碳纖維，1959年生產(chǎn)出品名“T hormei-25”的粘膠基碳纖維。同年日本進(jìn)藤昭男首先發(fā)明了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維。1962年日本東麗公司開始研制生產(chǎn)碳纖維的優(yōu)質(zhì)原絲，在1967年成功開發(fā)出T300聚丙烯腈基碳纖維。1966年，英國(guó)皇家航空研究所的Watt等人改進(jìn)技術(shù)，開創(chuàng)了生產(chǎn)高強(qiáng)度、高模量PAN基碳纖維的新途徑。1969年，日本東麗公司成功研究出用特殊單體共聚而成的聚丙烯腈制備碳纖維的原絲，結(jié)合美國(guó)聯(lián)合碳化物公司的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出高強(qiáng)高模碳纖維[1-4]。此后，美、法、德也都引進(jìn)技術(shù)或自主研發(fā)生產(chǎn)PAN基原絲及碳纖維，但日本東麗公司的碳纖維研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)一直保持世界領(lǐng)先水平。

1.2國(guó)內(nèi)

我國(guó)的碳纖維發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，1976年國(guó)內(nèi)首批產(chǎn)能2 t/a的PAN基碳纖維試驗(yàn)生產(chǎn)線在中科院山西煤化所建成。80年代開始高強(qiáng)型碳纖維研究，

1998年建成產(chǎn)能40 t/a的中試線。目前，大連興科碳纖維有限公司和中石油吉化公司及安徽華皖碳纖維有限公司是國(guó)內(nèi)PAN基碳纖維生產(chǎn)水平較高的企業(yè)[4-6]。

2分類

碳纖維按照狀態(tài)可分為長(zhǎng)絲、短纖維、短切纖維。按照原絲類型可分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維(表1)。按力學(xué)性能可分為通用型和高性能型(表2)。按照用途可分為宇航級(jí)小絲束碳纖維和工業(yè)級(jí)大絲束碳纖維[7-9](表3)。

表1　四種原料碳纖維的主要性能

表2　按力學(xué)性能分類

表3　按照用途分類

(1K指一束碳纖維含1000根單絲)

3產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

碳纖維作為高端化纖產(chǎn)品，其生產(chǎn)和銷售一直被日本、美國(guó)和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，全球產(chǎn)能已由2008年的6.2萬(wàn)噸，增長(zhǎng)到2014年的12.6萬(wàn)噸，產(chǎn)量由2008年為4.7萬(wàn)噸，增長(zhǎng)到2014年的7.6萬(wàn)噸(表4)。

表4　2008年～2014年世界碳纖維產(chǎn)能與產(chǎn)量狀況

據(jù)報(bào)道，預(yù)計(jì)2020年全球碳纖維總產(chǎn)能將達(dá)到15萬(wàn)t/a。目前，聚丙烯腈基碳纖維因生產(chǎn)工藝相對(duì)較簡(jiǎn)單，工藝較成熟，產(chǎn)品力學(xué)性能好且成本低，成為碳纖維工業(yè)生產(chǎn)的主流產(chǎn)品，約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%。瀝青基碳纖維是碳纖維的第二大品種，屬于高模量碳纖維，產(chǎn)量約占全球7%。粘膠基碳纖維受性價(jià)比等因素制約，產(chǎn)量約占全球1%。

3.1國(guó)外

世界碳纖維年產(chǎn)量約10萬(wàn)噸，主要生產(chǎn)商有日本東麗、東邦、三菱三大集團(tuán)，美國(guó)卓爾泰克、阿爾迪拉、赫克賽爾、氰特，德國(guó)西格里、阿克蘇，韓國(guó)泰光等公司[10-14]。其日本處于技術(shù)領(lǐng)先地位，日本三大集團(tuán)產(chǎn)量占全球75%，且以小絲束生產(chǎn)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，東麗、東邦、三菱的產(chǎn)能分別達(dá)到9100 t/a、5600 t/a、4700 t/a；美國(guó)產(chǎn)量占全球14%，以大絲束生產(chǎn)占優(yōu)勢(shì)。

3.1.1聚丙烯腈基碳纖維

全球大型碳纖維生產(chǎn)企業(yè)有13個(gè)，以PAN基纖維為原料生產(chǎn)碳纖維9個(gè)，包括東麗、東邦、三菱、卓爾泰克、赫氏、蘇泰克、阿爾迪拉、西格里及臺(tái)塑。其中日本3家(東麗、東邦、三菱)就占市場(chǎng)份額的80%，產(chǎn)能達(dá)40400 t，美國(guó)三大廠商(卓爾泰克、赫氏、蘇泰克)總產(chǎn)能達(dá)20750 t。

東麗以本土為核心的日美法韓4個(gè)生產(chǎn)基地，目前已形成11000t/a～12000t/a的T700S和4500 t/a的T800碳纖維生產(chǎn)能力，且PAN基碳纖維總產(chǎn)能2015年達(dá)到27100噸，2020將擴(kuò)大至50000噸。

表5　世界PAN基碳纖維總產(chǎn)能

3.1.2瀝青基碳纖維

全球?yàn)r青基碳纖維主要廠商有三菱塑料公司、氰特公司、日本石墨纖維公司，產(chǎn)能狀況如表6。

表6　世界瀝青基碳纖維總產(chǎn)能

注：中國(guó)大陸未統(tǒng)計(jì)在內(nèi)

3.2國(guó)內(nèi)

中國(guó)化纖工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2009年12月，國(guó)內(nèi)有10家PAN原絲生產(chǎn)企業(yè)，形成24310 t/a的生產(chǎn)能力。其中大陸9家，年生產(chǎn)能力9310 t/a，臺(tái)灣省臺(tái)塑企業(yè)，年產(chǎn)能15000 t/a。國(guó)內(nèi)有12家PAN碳化企業(yè)，其中大陸11家，年產(chǎn)能2925 t/a，臺(tái)塑企業(yè)年產(chǎn)能6150 t/a。大陸企業(yè)主要有中復(fù)神鷹年產(chǎn)能1220 t/a，威海拓展年產(chǎn)能1050 t/a，其次吉林石化、山西煤化所也形成一定生產(chǎn)能力。冶金部在煙臺(tái)籌建了規(guī)模70t/a～100t/a的通用級(jí)瀝青基碳纖維生產(chǎn)線，主要用作飛機(jī)剎車片，20世紀(jì)90年代擴(kuò)大到150 t/a，但因設(shè)備不過關(guān)等原因致停產(chǎn)[15-18]。

2013年我國(guó)的碳纖維產(chǎn)能1.8萬(wàn)噸，實(shí)際產(chǎn)量?jī)H有3千噸。到2015年我國(guó)大小碳纖維企業(yè)近40家，理論設(shè)計(jì)總產(chǎn)能1.96萬(wàn)噸(5000 t/a以上企業(yè)3家)，實(shí)際產(chǎn)量3.7千噸。碳纖維產(chǎn)品方面，T300級(jí)基本達(dá)標(biāo)，T700級(jí)年產(chǎn)百噸線試制，T800級(jí)在實(shí)驗(yàn)室突破關(guān)鍵技術(shù)，主體產(chǎn)品為12K及以下的小絲束PAN基碳纖維。但是產(chǎn)量?jī)H從2007年的200噸增加到2014年的3700噸(不足設(shè)計(jì)產(chǎn)能的20%)，產(chǎn)能釋放能力低的問題非常突出。2007年～2014年，我國(guó)碳纖維累計(jì)產(chǎn)量?jī)H1.23萬(wàn)噸。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)能力與美日及歐洲國(guó)家相比還存在相當(dāng)差距，產(chǎn)品強(qiáng)度低、均勻性差、穩(wěn)定性差、毛絲多、實(shí)際生產(chǎn)量低，根本原因是國(guó)內(nèi)原絲質(zhì)量不過關(guān)，解決這一問題，就應(yīng)匯聚國(guó)內(nèi)從事此領(lǐng)域的各方人力，以國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)實(shí)力與客觀條件較好企業(yè)為實(shí)施基地，進(jìn)行高起點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)，促進(jìn)我國(guó)碳纖維的發(fā)展。

工信部《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”規(guī)劃》將碳纖維及其復(fù)合材料列入“十大重點(diǎn)工程”，目標(biāo)是：到2015年，碳纖維產(chǎn)能達(dá)1.2萬(wàn)噸，基本滿足航空航天、風(fēng)力發(fā)電、運(yùn)輸裝備等需求。目前，我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)初具模型，預(yù)計(jì)2020年我國(guó)將建成千噸級(jí)T1000碳纖維生產(chǎn)線和百噸級(jí)MJ系列碳纖維生產(chǎn)線，并可開展T1200和M70J等高性能纖維及專用復(fù)合材料的研制和產(chǎn)業(yè)化工作，基本滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防科技的需求，初步形成兩到三家具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的碳纖維大型企業(yè)集團(tuán)及若干創(chuàng)新能力強(qiáng)、特色鮮明、產(chǎn)業(yè)鏈完整的碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。

4需求與應(yīng)用

目前，全球市場(chǎng)碳纖維的需求量約53.5千噸，繼續(xù)以6%～8%的年增長(zhǎng)速不斷擴(kuò)大，其中航空航天占比約29%，體育休閑占比約14%，風(fēng)電占比約11%，汽車占比約13%。而且，這種需求高速增長(zhǎng)的狀態(tài)仍在持續(xù)，預(yù)計(jì)到2018年，全球碳纖維的需求量將達(dá)到10多萬(wàn)噸[19-23]。

表7　全球與我國(guó)碳纖維需求預(yù)測(cè)　單位：kt

我國(guó)碳纖維的消耗量約90%依賴進(jìn)口，體育休閑應(yīng)用占總消耗的60%以上，工業(yè)占21%。2014年國(guó)內(nèi)碳纖維市場(chǎng)需求為 10600噸，隨著我國(guó)航天航空和工業(yè)制造的不斷發(fā)展，未來幾年我國(guó)碳纖維需求量將進(jìn)入一個(gè)快速增長(zhǎng)的時(shí)期，《2015-2020年中國(guó)碳纖維行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)及投資戰(zhàn)略分析報(bào)告》中指出：預(yù)計(jì)到2020年國(guó)內(nèi)碳纖維的需求將達(dá)25000噸，年均增長(zhǎng)速率約15.5%。

表8　2014年全球與我國(guó)的碳纖維需求分布

表9　2014年與2020年國(guó)內(nèi)碳纖維市場(chǎng)需求份額比較

2014年，國(guó)內(nèi)碳纖維在航空航天、工業(yè)應(yīng)用和體育休閑三大領(lǐng)域的用量比例是4%、29%和67%。其中，體育休閑占絕大多數(shù)，而在民用航空、交通工具、新能源裝備、工程建設(shè)等方面的應(yīng)用雖然已經(jīng)開始起步，但應(yīng)用水平偏低，碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)水平不足，缺乏配套的材料，相關(guān)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系不健全，導(dǎo)致應(yīng)用領(lǐng)域窄。此外，樹脂、上漿劑等配套材料品種少、性能不足，復(fù)合材料用輔助原料還不能完全實(shí)現(xiàn)自主供給，部分品種還依賴進(jìn)口等，不僅制約了碳纖維復(fù)合材料在高端制品上的應(yīng)用，同時(shí)還嚴(yán)重影響著國(guó)產(chǎn)碳纖維的市場(chǎng)應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)外一致認(rèn)為，最富有前景的應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)應(yīng)用，如汽車工業(yè)，應(yīng)用碳纖復(fù)合材料可以減輕重量，節(jié)約能源，增加可靠性；風(fēng)力發(fā)電是能源領(lǐng)域增長(zhǎng)最快的，其葉片使用碳纖維量可觀。隨著汽車輕量化和風(fēng)力發(fā)電的不斷發(fā)展，我國(guó)的碳纖維在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越多，預(yù)計(jì)到2020年國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域的碳纖維需求份額將增長(zhǎng)到50%。

4.1航空航天領(lǐng)域

到2015年航空航天用碳纖維比2011年增長(zhǎng)約87%達(dá)到13.1千噸，預(yù)計(jì)到2020年達(dá)到19.7千噸。碳纖維將在航空航天領(lǐng)域以多種應(yīng)用趨勢(shì)成為噴氣飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪等主要的結(jié)構(gòu)材料[24-28]。統(tǒng)計(jì)顯示，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量占70%～80%，軍用飛機(jī)占30%～40%，大型客機(jī)占15%～50%。美國(guó)軍用飛機(jī)AV-8B改型“鷂”式飛機(jī)所用碳纖維約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的26%，使整機(jī)減重9%。我國(guó)直-9型直升機(jī)復(fù)合材料占60%，主要是碳纖維復(fù)合材料。日本OH-1“忍者”直升機(jī)，機(jī)身40%是碳纖維復(fù)合材料，槳葉也是碳纖維復(fù)合材料。

民用領(lǐng)域，世界最大飛機(jī)歐洲空客A380使用的復(fù)合材料是結(jié)構(gòu)重量的25%，碳纖維復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的22%；美國(guó)波音B787復(fù)合材料質(zhì)量比例高達(dá)50%，機(jī)身、尾翼采用碳纖維層合結(jié)構(gòu)，升降舵、方向舵保留碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)；波音777客機(jī)全機(jī)碳纖維用量7噸左右；中國(guó)商飛C919第一階段采用10%～15%的碳纖維復(fù)合材料，第二階段23%～25%采用碳纖維復(fù)合材料，

宇航工業(yè)上，碳纖維多用作導(dǎo)彈防熱材料及結(jié)構(gòu)材料，如導(dǎo)彈發(fā)射筒、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(殼體、噴管與連接部件)、導(dǎo)彈鼻錐與大面積防熱層；衛(wèi)星的構(gòu)架、天線、太陽(yáng)能翼片底板、衛(wèi)星-火箭結(jié)合部件；航天飛機(jī)與高速飛行器的機(jī)頭、機(jī)翼前緣和艙門、大面積防熱蓋板等制件的抗氧化材料。航天飛行器的重量每減少1 kg，就可使運(yùn)載火箭減輕500 kg。采用碳纖維復(fù)合材料將大大減輕火箭和導(dǎo)彈的惰性重量，減輕發(fā)射重量，節(jié)省發(fā)射費(fèi)用或攜帶更重的彈頭或增加有效射程和落點(diǎn)精度。

4.2體育用品領(lǐng)域

體育器材是我國(guó)碳纖維的主要消費(fèi)領(lǐng)域，年消耗約5千噸，約占碳纖維市場(chǎng)的18%～20%，2007年～2014年間的年均增長(zhǎng)率保持在3%左右。

碳纖維復(fù)合材料在高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、釣魚竿、自行車、賽車、滑雪板等高檔文體用品中廣泛應(yīng)用[29，30]，碳纖維復(fù)合材料的高爾夫球桿比金屬桿減重近50%。2009年浙江一家公司生產(chǎn)的一體式競(jìng)賽型碳纖維自行車較鋁材減重40%。釣魚竿、羽毛球拍、滑雪板、高爾夫球桿等體育用品的碳纖維67%是大絲束，隨著大絲束價(jià)格的降低和性能提高，此基礎(chǔ)上還將增加。

4.3風(fēng)電領(lǐng)域

2010年全球的風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)4210萬(wàn)千瓦，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)2.0億千瓦。據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，到2020年全球風(fēng)電裝機(jī)將占總電量的12%，風(fēng)力發(fā)電已從“補(bǔ)充能源”向“戰(zhàn)略替代能源”轉(zhuǎn)變。

風(fēng)電設(shè)備的葉片、機(jī)艙罩是采用復(fù)合材料的主要部位，碳纖維復(fù)合材料葉片是風(fēng)機(jī)輕量化及大型化的必然趨勢(shì)。一臺(tái)風(fēng)機(jī)按12噸計(jì)算，碳纖維用量0.6噸/片，則風(fēng)機(jī)消耗碳纖維1.8噸/臺(tái)?！笆晃濉逼陂g，我國(guó)建成了30個(gè)10萬(wàn)千瓦級(jí)的風(fēng)電項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了3000萬(wàn)千瓦的中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，新增裝機(jī)約6000臺(tái)/年，碳纖維需求量10800噸/年。到“十二五”末，我國(guó)電力市場(chǎng)將可容納約1億千瓦風(fēng)電的能力，而2015年后，我國(guó)風(fēng)電仍保持較快增長(zhǎng)，為碳纖維發(fā)展提供保障。

隨著風(fēng)機(jī)葉片的加長(zhǎng)，玻璃纖維復(fù)合材料葉片已不能滿足性能要求，大絲束碳纖維復(fù)合材料葉片不僅在風(fēng)機(jī)強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性能方面都滿足要求，而且輕量化、耐腐蝕的特征也成為海上風(fēng)能葉片的需求[31-33]。國(guó)外已展開大絲束碳纖維風(fēng)電葉片的應(yīng)用，維斯塔斯(Vestas)生產(chǎn)的V-90型3.0 MW風(fēng)機(jī)葉片與玻璃纖維相比減重32%，成本下降16%。歌美颯(Gamesa)生產(chǎn)的長(zhǎng)達(dá)44 m的2.0 MW風(fēng)機(jī)葉片采用碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，質(zhì)量?jī)H7000 kg。南通東泰生產(chǎn)的2 MW碳纖維風(fēng)機(jī)葉片主梁，既保證葉片高強(qiáng)度，又順應(yīng)了大型化、輕量化方向。荷蘭戴爾佛理工大學(xué)研制的直徑120 m風(fēng)機(jī)葉片，梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維重量減輕40%。

表10　 碳纖維在風(fēng)機(jī)葉片中的應(yīng)用實(shí)例

4.4汽車領(lǐng)域

隨著汽車輕量化、發(fā)動(dòng)機(jī)高效化、車型阻力減小化的要求，碳纖維復(fù)合材料成為質(zhì)輕和一體多能的理想結(jié)構(gòu)材料[34]。主要應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的推桿、連桿、搖桿、水泵葉輪，傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)軸、離合器、加速裝置等，底盤系統(tǒng)中的懸置件、彈簧片、框架、散熱器等，車體上的車頂內(nèi)外襯、地板、側(cè)門等。2013年的汽車領(lǐng)域碳纖維用量大約3千噸，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到10千噸。

表11　碳纖維在汽車上的應(yīng)用實(shí)例

另外，碳纖維制作的復(fù)合材料剎車片[35]，可做到無(wú)熱龜裂、無(wú)熱膨脹、無(wú)熱衰退，摩擦率低、沖擊強(qiáng)度好，硬度值好，剎車無(wú)噪音，利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已進(jìn)入高檔轎車和世界名車、列車、飛機(jī)等交通領(lǐng)域應(yīng)用。

4.5建筑補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域

80年代初在歐美、日本和澳大利亞等國(guó)開始大力研究與應(yīng)用，主要在橋梁、海工構(gòu)筑物、非磁性建筑物等工程方面，其中橋梁方面應(yīng)用較多。我國(guó)在1996年前后開始研究應(yīng)用，主要有碳纖維復(fù)合材料片材、筋及型材、預(yù)應(yīng)力索、拉索、吊桿，因其良好的抗疲勞性，也在大跨度索橋、系桿拱橋中廣泛應(yīng)用[36]。

用碳纖維管制作的桁梁構(gòu)架屋頂，比鋼材輕50%左右，而且，碳纖維做補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，不需要增加螺栓和鉚釘固定，對(duì)原有混凝土結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小，施工簡(jiǎn)便。

4.6石油工業(yè)

抽油桿是采油系統(tǒng)主要部件，傳統(tǒng)鋼制抽油桿在柔韌性和抗腐蝕方面不足，碳纖維抽油桿相比鋼制抽油桿強(qiáng)度高、抗腐蝕、耐磨。碳纖維抽油桿比鋼材的質(zhì)量輕，減小了抽油桿截面積，降低在抽油桿上下沖程時(shí)的阻力，目前已在中石油、中石化等油田廣泛應(yīng)用[37，38]。2008年將近10%的新增抽油桿由碳纖維復(fù)合材料抽油桿取代，供需碳纖維420噸，到2010年按15%的取代量計(jì)算，需要碳纖維624噸。

20世紀(jì)90年代，鋼制管道的碳纖維修復(fù)缺陷技術(shù)興起。鋼制油氣管道在服役期間進(jìn)行焊接修復(fù)風(fēng)險(xiǎn)較高，操作過程可能發(fā)生滲透、氫脆和冷脆，增加作業(yè)難度，采用碳纖維修復(fù)技術(shù)，在管道外加一個(gè)碳纖維加固層，以此來承載管道經(jīng)向和環(huán)向壓力引起的膨脹，分擔(dān)壓力載荷，達(dá)到管道內(nèi)外壓力平衡，從而實(shí)現(xiàn)管道修復(fù)目的。國(guó)內(nèi)西氣東輸管道、東黃輸油管道、陜京輸氣管道及秦京輸油管道等已成功推廣應(yīng)用碳纖維修復(fù)技術(shù)。

此外，碳纖維在海上鉆井平臺(tái)得到應(yīng)用，與鋼制平臺(tái)相比除了力學(xué)性能優(yōu)異，質(zhì)量小外，碳纖維具有良好的耐腐蝕性，不生銹，在海水復(fù)雜環(huán)境中比鋼耐用，延長(zhǎng)了使用壽命和維護(hù)周期。

5結(jié)語(yǔ)

2015年我國(guó)碳纖維理論設(shè)計(jì)總產(chǎn)能1.96萬(wàn)噸，但實(shí)際產(chǎn)量3.7千噸，全為小絲束。碳纖維指標(biāo)達(dá)到東麗T300水平，性能穩(wěn)定性有待提高；T800、M40J、M50J仍處于中試或攻關(guān)階段。國(guó)際碳纖維技術(shù)對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖，利用高性能碳纖維盈利來彌補(bǔ)通用級(jí)碳纖維的虧損，對(duì)我國(guó)進(jìn)行降價(jià)打壓，遏制國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展，因而國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)基本處于虧損境地。

我國(guó)碳纖維發(fā)展建議：一是盡快制定碳纖維發(fā)展的整體規(guī)劃。避免低端重復(fù)投資，研發(fā)機(jī)構(gòu)零散，隸屬關(guān)系復(fù)雜，不利于聯(lián)合開發(fā)、協(xié)同攻關(guān)。二是加強(qiáng)建立重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)基地。以有實(shí)力、有基礎(chǔ)的大型企業(yè)為依托，建立健全碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)用技術(shù)體系，鼓勵(lì)高校、科研院所參與，通過政府支持鼓勵(lì)企業(yè)建立研發(fā)機(jī)構(gòu)和研發(fā)團(tuán)隊(duì)，引進(jìn)人才，凝聚全社會(huì)力量，促進(jìn)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)基地的科技進(jìn)展。三是發(fā)揮區(qū)域合作優(yōu)勢(shì)。以國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略為導(dǎo)向，以市場(chǎng)為紐帶，實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源共享、原料互供、產(chǎn)業(yè)配套、協(xié)調(diào)發(fā)展，形成上下游產(chǎn)業(yè)鏈緊密結(jié)合的碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展。四是建立評(píng)價(jià)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)不少企業(yè)能夠研發(fā)相當(dāng)于T300水平的碳纖維，有的已開發(fā)T700、T800碳纖維，但質(zhì)量穩(wěn)定性存在很大問題，國(guó)內(nèi)還沒有形成碳纖維及復(fù)合材料下游產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)管體系、沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品評(píng)價(jià)，不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

隨著碳纖維在國(guó)家政策、產(chǎn)業(yè)化、應(yīng)用開發(fā)方面的逐步完善，碳纖維需求量與日俱增，是較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性新材料，碳纖維工業(yè)增長(zhǎng)潛力巨大，應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期技術(shù)及市場(chǎng)開發(fā)。

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中圖分類號(hào)：TS102

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-5580(2016)02-0158-07

通訊作者：張?jiān)?1987-)，男，工程師。

基金項(xiàng)目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2015KTCQ01-56)

收稿日期：2016-02-25

第一作者：李建利(1982-)，女，碩士，工程師，研究方向：產(chǎn)業(yè)用紡織品的開發(fā)。