碳纖維及其復(fù)合材料市場(chǎng)現(xiàn)狀和展望

張國(guó)鋒

摘 要：如今，國(guó)際復(fù)合材料行業(yè)正在擴(kuò)張，未來(lái)五年，來(lái)自更高級(jí)別公司的先進(jìn)復(fù)合材料將以每年5%的速度增長(zhǎng)。因此隨著民用和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，全球高碳地區(qū)的需求年增長(zhǎng)率可達(dá)10%，亞太區(qū)域的增長(zhǎng)將加速，由于我國(guó)對(duì)碳纖維生產(chǎn)線的需求不斷增加，碳纖維設(shè)備將比碳纖維和復(fù)合材料更快地被進(jìn)口所取代。碳纖維化合物在海洋工程、航空航天、汽車等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，而碳纖維化合物的價(jià)格卻在不斷下降，因此碳纖維化合物的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多。本文介紹了我國(guó)碳纖維及碳纖維工業(yè)的現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：碳纖維需求;碳纖維工業(yè)的現(xiàn)狀;碳纖維化合物

碳纖維是一種直徑較大的連續(xù)長(zhǎng)絲材料，它是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新材料，目前復(fù)合材料中主要使用聚丙烯腈和粘土碳纖維。原材料：聚丙烯腈骨料和瀝青前體，通過(guò)特殊焦化和復(fù)合碳化工藝生產(chǎn)。碳纖維的軸向拉力輕、受力大、熔融含量高、化學(xué)穩(wěn)定性好，因?yàn)樵跓捊惯^(guò)程中，纖維沿軸向長(zhǎng)方向延伸，并與軸向長(zhǎng)方向相適應(yīng)。以高性能樹脂為基礎(chǔ)的碳纖維和復(fù)合材料是目前使用最廣泛的結(jié)構(gòu)化合物之一。此外，天然纖維和玻璃纖維的使用也在迅速增長(zhǎng)。

1 我國(guó)碳纖維工業(yè)的發(fā)展

1.1 工業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀

從“零碳纖維”到“碳纖維制備”的十余年來(lái)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從“零”到“制備”的重大轉(zhuǎn)變。由于在國(guó)家科技示范和產(chǎn)業(yè)化計(jì)劃支持的條件下，前所未有的變化從此出現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化建設(shè)中，碳纖維及其組分的快速發(fā)展可以有效地降低國(guó)防建設(shè)對(duì)高性能碳纖維的迫切需求和解決部分碳纖維構(gòu)件存在的問(wèn)題。目前，T300-FOI碳纖維已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，其產(chǎn)品已成功應(yīng)用于航空航天、武器技術(shù)等領(lǐng)域，并帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，1000t T700碳纖維生產(chǎn)線及產(chǎn)品進(jìn)口評(píng)估，高強(qiáng)度T800碳纖維片材構(gòu)件內(nèi)部生產(chǎn)線的建設(shè)與生產(chǎn);高模塊、高碳力的產(chǎn)業(yè)化尚屬空白，項(xiàng)目還在進(jìn)行中進(jìn)展。那個(gè)中高強(qiáng)度模塊和高纖維高抗碳模塊的關(guān)鍵技術(shù)有待解決。

截至2014年底，中國(guó)有近40家碳纖維廠，總設(shè)計(jì)產(chǎn)能為16600t。建設(shè)6000t產(chǎn)能（含原絲產(chǎn)能）和7500t碳纖維生產(chǎn)線（含原絲產(chǎn)能）。生產(chǎn)線企業(yè)4.1萬(wàn)t，企業(yè)（或企業(yè)聯(lián)合體）5500t。主要產(chǎn)品為聚丙烯腈基碳纖維，帶小絲束的12K型。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年以來(lái)，國(guó)內(nèi)碳纖維生產(chǎn)每年都在增加，從2007年的約200t增加到2014年的2600t。然而，釋放生產(chǎn)能力的問(wèn)題仍然是一個(gè)令人嚴(yán)重關(guān)切的問(wèn)題。一方面，我國(guó)的碳纖維工業(yè)充斥著不適當(dāng)?shù)膭趧?dòng)、閑置的設(shè)備、浪費(fèi)的能力和高生產(chǎn)成本;另一方面，在國(guó)際碳纖維行業(yè)巨頭的蓄意壓力下，碳纖維的價(jià)格一次又一次的下跌，甚至下跌。碳纖維公司面臨著高水平的生產(chǎn)和損失。今天，我國(guó)碳纖維企業(yè)長(zhǎng)期面臨“內(nèi)憂外患”，大多數(shù)企業(yè)幾乎要減產(chǎn)甚至停產(chǎn)。

1.2 主要挑戰(zhàn)

目前，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)碳纖維的技術(shù)、設(shè)備、品牌、特性等還不足以提高產(chǎn)量和質(zhì)量。主要問(wèn)題包括：

1.2.1 雙層建筑，能力利用率低

在具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的九大碳纖維生產(chǎn)商中，日本三家，美國(guó)兩家。近年來(lái)，在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)從碳纖維工程中誕生，目前我國(guó)碳纖維行業(yè)已有30多家碳纖維企業(yè)。很多企業(yè)投資建設(shè)，但同時(shí)，低層次投資同質(zhì)化現(xiàn)象居多。炭工業(yè)的健康發(fā)展受到以下因素的嚴(yán)重阻礙：創(chuàng)新能力不足、生產(chǎn)力低、利用率低和競(jìng)爭(zhēng)力低。

1.2.2 技術(shù)相對(duì)落后和產(chǎn)品質(zhì)量差

目前，我國(guó)的碳纖維工業(yè)相當(dāng)于1980年代外國(guó)碳纖維公司的工業(yè)，缺乏有產(chǎn)權(quán)的基本生產(chǎn)技術(shù)。系統(tǒng)名稱技術(shù)多樣化且不完善。生產(chǎn)工藝路線單一，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性差，能耗高，物料消耗大，成本高。同時(shí)，由于我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)缺乏創(chuàng)新設(shè)備，原有創(chuàng)新能力較差，這就導(dǎo)致家用碳纖維制品的穩(wěn)定性和可靠性較低，而且在制備低碳樹脂產(chǎn)品的過(guò)程中應(yīng)用不當(dāng)，因此有高水平產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化程度及與國(guó)際同類產(chǎn)品的主要差異。

1.2.3 市場(chǎng)技術(shù)自主發(fā)展的應(yīng)用，缺乏工業(yè)牽引

我國(guó)碳纖維的使用與碳纖維的制備無(wú)關(guān)，碳纖維上下游發(fā)展極不平衡。幾乎完全依賴進(jìn)口纖維，國(guó)家碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展缺乏足夠的激勵(lì)措施，直接導(dǎo)致碳纖維公司活動(dòng)率低，大量能源浪費(fèi)。同時(shí)，在碳纖維化合物的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用方面與世界各發(fā)達(dá)國(guó)相比還有很大差距。這個(gè)直接制約了國(guó)產(chǎn)碳纖維化合物在高質(zhì)量產(chǎn)品中的應(yīng)用和擴(kuò)大工業(yè)。因此，應(yīng)進(jìn)一步提高復(fù)合材料及制品的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，開發(fā)市場(chǎng)下游的碳纖維。與金屬材料或其他工程材料相比，碳纖維化合物具有許多優(yōu)異的性能。

例如：

①材料性能的可剪裁性大，大多數(shù)碳纖維增強(qiáng)塑料可以通過(guò)增強(qiáng)纖維的取向和數(shù)量來(lái)適應(yīng)建筑材料的性能，為了得到更好的性能結(jié)果。例如，化合物可以設(shè)計(jì)成在主驅(qū)動(dòng)方向上有足夠的引導(dǎo)來(lái)傳輸加載。在其他方向也有適合承載剪切荷載或其他荷載的纖維。通過(guò)不同的成型工藝可以形成多纖維取向結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的可加工性不僅可以提高材料的加工效率，而且有助于將材料的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)集成到結(jié)構(gòu)中，這不僅簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)程，而且降低了生產(chǎn)成本;

②多種成型工藝選擇，工藝經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展而成，有高壓釜法、成型法、纖維纏繞法、注射成型法等幾十種不同的成型方法工藝，實(shí)際應(yīng)用可以根據(jù)零件特性、材料種類、生產(chǎn)尺寸和與成本相適應(yīng)的成型方案來(lái)選擇;

③良好的抗疲勞性能，其原因是當(dāng)裂紋由表面向內(nèi)層擴(kuò)展，當(dāng)碳纖維布到達(dá)纖維取向?qū)訒r(shí)，纖維取向?qū)映霈F(xiàn)裂紋擴(kuò)展，極大地提高了CFRP的疲勞強(qiáng)度。結(jié)果表明，鋼和鋁的疲勞強(qiáng)度為靜強(qiáng)度的50%，而碳纖維織物的疲勞強(qiáng)度高達(dá)90%。

2 關(guān)于碳纖維復(fù)合材料的使用

碳纖維適用于航空航天對(duì)高材料的要求性能。在近年來(lái)，隨著碳纖維化合物優(yōu)良性能的認(rèn)可和接受，其在能源應(yīng)用、交通運(yùn)輸、汽車、海軍、建筑等工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速。

航空應(yīng)用。為了提高飛機(jī)性能，美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室從20世紀(jì)50年代開始尋找一種新型結(jié)構(gòu)材料。碳纖維復(fù)合材料是基于對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料的理解和經(jīng)驗(yàn)，正是在此背景下被列入發(fā)展計(jì)劃的，對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行相應(yīng)的研究與開發(fā)，因此研究高密度和低密度的改良纖維是開發(fā)高性能纖維復(fù)合材料的先決條件。在碳纖維之前，已經(jīng)開發(fā)出硼纖維，1960年開始少量生產(chǎn)，其直徑約為100微米的鎢芯硼纖維，其彈性模量達(dá)400GPa，抗拉強(qiáng)度為3800MPa;經(jīng)過(guò)循環(huán)氧改善的硼纖維。是40GPa玻璃纖維化合物的彈性模組（相對(duì)密度為1.8%）的五倍，約鋁合金的（相對(duì)密度為2.7）的彈性模組為70GPA（相對(duì)密度為2.0%）的三倍。因此，實(shí)驗(yàn)室將經(jīng)過(guò)氧化硼改良的硼纖維復(fù)合材料視為美國(guó)空軍材料中的先進(jìn)復(fù)合材料，并于1960年代后期開始應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)，如飛機(jī)尾部的橫向和縱向結(jié)構(gòu)等。然而，硼纖維的生產(chǎn)過(guò)程既復(fù)雜又昂貴，而且硼纖維本身也很難操作。在這一基礎(chǔ)上，我們已開始發(fā)展碳纖維復(fù)合材料，到了60年代末，我們成功地開發(fā)了碳聚丙烯腈纖維，并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)。自那時(shí)以來(lái)，碳纖維復(fù)合材料一直用于這一領(lǐng)域。航空航天碳纖維（CFRP）是非常合成的，被認(rèn)為是空間結(jié)構(gòu)的理想材料。近四十年來(lái)，碳纖維化合物在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鑒于上述情況，我國(guó)碳纖維工業(yè)正處于發(fā)展的關(guān)鍵階段。隨著國(guó)際碳纖維產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)也迫切需要高性能的碳纖維產(chǎn)品。國(guó)家碳纖維公司需要更明確地界定其在國(guó)防、民航、勞工等高端航空航天工業(yè)中的主要?jiǎng)?chuàng)新地位。為了適應(yīng)我國(guó)的需要，實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展，必須發(fā)展低成本的高性能、高穩(wěn)定性的碳纖維產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。我國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展任重道遠(yuǎn)。

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