碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和應(yīng)用

張定金

（中國(guó)建材股份有限公司，北京 100000）

1 全球碳纖維發(fā)展情況

1.1 全球碳纖維產(chǎn)能及布局（圖1）

圖1 全球碳纖維產(chǎn)能及布局

1.2 應(yīng)用分布及市場(chǎng)需求

（1）全球碳纖維應(yīng)用主要集中航空航天、風(fēng)電葉片、體育休閑和汽車領(lǐng)域，2017年需求量為8.42萬(wàn)t（圖2）。

圖2 2017全球碳纖維需求-應(yīng)用（kt）

（2）航空航天雖然用量占22%，但采購(gòu)額占到了50%。

（3）近年來(lái)風(fēng)電葉片和壓力容器市場(chǎng)增長(zhǎng)迅猛，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

主要碳纖維廠商的產(chǎn)能（2018年）：

日本東麗總產(chǎn)能4.9萬(wàn)t；

德國(guó)西格里總產(chǎn)能1.3萬(wàn)t（2017年賣給三菱0.2 萬(wàn) t）；

美國(guó) Hexcel總產(chǎn)能 1.0萬(wàn) t（表 1）。

表1 三家廠商2016和2017碳纖維及復(fù)合材料主要銷售收入和利潤(rùn)情況

（4）商業(yè)航空機(jī)體需求提升；環(huán)境能源用量擴(kuò)大；壓力容器應(yīng)用增加，年均增長(zhǎng)10%～15%（表2）。

表2 全球碳纖維應(yīng)用分布

（5）國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)品向穩(wěn)定性、高端化方向發(fā)展，2017年需求量為2.35萬(wàn)t，國(guó)產(chǎn)化率約為30%（圖3）。

（6）國(guó)內(nèi)應(yīng)用體育占48%，航空航天僅2%，高端領(lǐng)域有待拓展。

（7）近年來(lái)在C/C復(fù)合材料、壓力容器、碳芯電纜等領(lǐng)域快速增長(zhǎng)。

圖3 2017中國(guó)碳纖維需求-應(yīng)用（t）

（8）隨著飛機(jī)制造、能源交通、壓力容器等產(chǎn)業(yè)對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)材料的需求，未來(lái)3～5年碳纖維需求增長(zhǎng)迅猛（圖 4，5）。

圖4 全球碳纖維每年需求量（萬(wàn)t）

圖5 國(guó)內(nèi)碳纖維每年需求量（萬(wàn)t）

2 我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)化情況

2.1 我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)化基本情況

通過十幾年的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)化勢(shì)頭良好并趨于成熟，但差距依然存在（圖6）。

（1）濕法紡絲工藝成熟，紡速達(dá)到50～100 m/min。（2）干噴濕紡技術(shù)得以突破，紡速達(dá)到200～500 m/min。

（3）掌握了T700、T800以及更高級(jí)別碳纖維核心技術(shù)。

（4）關(guān)鍵裝備實(shí)現(xiàn)了自主化。

（5）大絲束技術(shù)基本突破。

（6）高性能碳纖維和通用級(jí)碳纖維還有一定的差距，主要體現(xiàn)在性能、規(guī)模、成本和市場(chǎng)等方面。

圖6 我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)化情況

2.2 主要產(chǎn)能分布（圖7）

圖7 我國(guó)碳纖維主要產(chǎn)能分布

2.3 產(chǎn)能情況

國(guó)外對(duì)我國(guó)的總產(chǎn)能預(yù)期（威脅程度）小于我們自己的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。應(yīng)理性看待國(guó)內(nèi)的碳纖維產(chǎn)能（圖8）。

圖8 全球主要碳纖維企業(yè)產(chǎn)能（t/y）

3 碳纖維應(yīng)用情況

3.1 航空領(lǐng)域

（1）主要用于制備機(jī)翼、中央翼盒、垂尾、機(jī)身筒體等部件。

（2）民用航空領(lǐng)域以干噴濕紡的高強(qiáng)中模型碳纖維為主。

（3）2017年全球航空用碳纖維需求約為1.7萬(wàn)t，預(yù)計(jì)會(huì)有10%的增長(zhǎng)。

（4）國(guó)產(chǎn)碳纖維在部分軍機(jī)有一定程度應(yīng)用，但在民用航空領(lǐng)域才剛開始（圖9）。

圖9 碳纖維在航空領(lǐng)域的應(yīng)用情況

（5）航空在全球客運(yùn)、貨運(yùn)增加和提高燃油效率的新型飛機(jī)的置換等需求的支持下，碳纖維應(yīng)用量繼續(xù)擴(kuò)大。

（6）2015年以后，新訂單量雖略有下降，但波音和空客的交付數(shù)量一直保持在每年700架以上的數(shù)量。

（7）1981年，B767碳纖維首次使用在飛機(jī)上，用于二次結(jié)構(gòu)件。

1985年，A320碳纖維首次使用于垂尾一次結(jié)構(gòu)件（圖 10）。

圖10 碳纖維在飛機(jī)上的應(yīng)用

（8）在航空基地周邊布局，以預(yù)浸料進(jìn)行配套，是國(guó)外的主要形式（圖11）。

圖11 碳纖維在國(guó)外航空領(lǐng)域的應(yīng)用情況

（9）主要用于制備導(dǎo)彈、火箭的發(fā)射殼體、椎體等回轉(zhuǎn)體部件以及衛(wèi)星等。

（10）航天應(yīng)用一般以發(fā)揮纖維強(qiáng)度為主——干噴濕紡碳纖維優(yōu)勢(shì)明顯。

（11）目前國(guó)產(chǎn)碳纖維在航天領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了小批量的應(yīng)用。

（12）航天事業(yè)迅猛發(fā)展——武器裝備及商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射提供了廣闊市場(chǎng)。

3.2 風(fēng)電領(lǐng)域

（1）風(fēng)電機(jī)組的大型化和海上化是碳纖維關(guān)鍵的應(yīng)用思路（圖12）。

發(fā)電量每增加1倍，直徑增加1.4倍，重量增加2.8倍。

圖12 風(fēng)電機(jī)組

（2）2017年風(fēng)電葉片應(yīng)用占全球碳纖維量的23%（18 000 t），占據(jù)第一位（圖 13）。

圖13 碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用

（3）2019 年，VESTAS 預(yù)計(jì)用量達(dá)到 22 000 t。

3.3 汽車輕量化領(lǐng)域

（1）各國(guó)汽車CO2排放指標(biāo)：日本 122 g/km，中國(guó) 117 g/km，美國(guó) 97 g/km，韓國(guó) 97 g/km，歐洲97 g/km。

（2）汽車輕量化對(duì)CO2排放降低貢獻(xiàn)很大，輕量化是汽車行業(yè)共同的課題。

（3）隨著汽車抗沖擊性、舒適性、電動(dòng)化和自動(dòng)化駕駛等的加強(qiáng)，車體重量有增大的趨勢(shì)。

（4）CFRP在汽車應(yīng)用的車的種類在擴(kuò)大，并且從CFRP→Al+CFRP→Fe+Al+CFRP的方向發(fā)展（表3）。

表3 碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

（5）汽車重量每減輕10%，油耗降低6%。

（6）CFRP在汽車上的應(yīng)用應(yīng)側(cè)重于零部件，而非車身本體。

（7）車企和碳纖維廠家聯(lián)合的方式：寶馬+SGL；戴姆勒+東麗；通用+帝人；福特+陶氏；日產(chǎn)+三菱等。

（8）CFRP汽車用途開發(fā)的關(guān)鍵詞：

①適材適用——合適的材料用在合適的地方；

②高端最小———最少量使用高端先進(jìn)的材料；受沖擊；

③結(jié)構(gòu)合理———結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理化；

④完全閉合———CFRP 端面完全封閉保護(hù)免

⑤連接技術(shù)———CFRP 和金屬之間的連接。

3.4 壓力容器領(lǐng)域

（1）全球碳纖維復(fù)合材料壓力容器年均增長(zhǎng)率有望達(dá)到22%，增長(zhǎng)快速（圖14）。

圖14 2018-2020年壓力容器市場(chǎng)需求（t）

（2）主要用在天然氣車用氣瓶、運(yùn)輸天然氣的大型瓶、燃料電池車用氫氣瓶、呼吸氣瓶和醫(yī)用O2瓶等。

（3）隨著新能源的發(fā)展，中國(guó)成為壓力容器的主要市場(chǎng)，預(yù)計(jì)2020年將占全球市場(chǎng)的40%。

3.5 高壓電網(wǎng)領(lǐng)域

（1）CFRP替代金屬芯材，為解決架空線弧垂問題開辟了更有效的技術(shù)途徑。

（2）CFRP芯鋁導(dǎo)線的強(qiáng)度是鋼芯的2倍、傳輸?shù)碾娏魅萘渴瞧渌?倍，線損比其它降低了25%～40%。

（3）國(guó)產(chǎn)碳纖維已基本實(shí)現(xiàn)了批量掛網(wǎng)應(yīng)用（圖 15）。

圖15 碳纖維在高壓電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.6 碳/碳領(lǐng)域

主要應(yīng)用于飛機(jī)剎車盤、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯、單晶拉制爐熱場(chǎng)系統(tǒng)等，干噴濕紡碳纖維具有灰分低、易編織和針刺成型等特點(diǎn)（圖16）。

圖16 碳纖維在碳/碳領(lǐng)域的應(yīng)用

3.7 基建領(lǐng)域

（1）建筑與民用工程是最早將碳纖維用于結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的領(lǐng)域（圖17）。

圖17 碳纖維在基建領(lǐng)域的應(yīng)用

（2）國(guó)產(chǎn)碳纖維在基建工程領(lǐng)域應(yīng)用占據(jù)較大份額，但主要集中中低級(jí)補(bǔ)強(qiáng)布，一級(jí)布僅少數(shù)廠家的碳纖維可以滿足。

3.8 體育休閑領(lǐng)域

（1）體育休閑是CFRP最早進(jìn)入市場(chǎng)化的領(lǐng)域，長(zhǎng)期支撐著碳纖維市場(chǎng)的發(fā)展（圖18）。

圖18 碳纖維在體育休閑領(lǐng)域的應(yīng)用

（2）嚴(yán)格要求高強(qiáng)、高模、高加工性能，培育了碳纖維的技術(shù)基礎(chǔ)。

（3）電動(dòng)助力自行車近年在歐洲和亞洲急速成長(zhǎng)。

（4）近幾年國(guó)內(nèi)體育休閑領(lǐng)域的需求量保持10%的增長(zhǎng)，并且國(guó)產(chǎn)碳纖維在不斷替代進(jìn)口。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)過40多年特別是近10年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)勢(shì)頭良好且趨于成熟。

（2）國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)能號(hào)稱雖有26 000 t，但實(shí)際有效產(chǎn)能較低，要理性看待國(guó)內(nèi)的碳纖維的生產(chǎn)能力。

（3）碳纖維的應(yīng)用進(jìn)入了新時(shí)代，高端領(lǐng)域有待拓展，不應(yīng)一味追求低成本。

（4）產(chǎn)業(yè)呼喚標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)。