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全球碳纖維生產(chǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢(shì)（一）

玻璃纖維曾經(jīng)是聚合物復(fù)合材料之一，過去只是考慮如何改變玻璃的成分，優(yōu)化“涂膠（sizing）”化學(xué)過程，改善其界面性質(zhì)，以提高其模量／強(qiáng)度、抗腐蝕性能（包括抗堿性能）等。在過去20年里，曾將傳統(tǒng)的玻璃纖維增強(qiáng)材料生產(chǎn)技術(shù)不斷創(chuàng)新，使其商業(yè)應(yīng)用逐步擴(kuò)大。碳纖維的出現(xiàn)使復(fù)合材料用戶多了一項(xiàng)選擇，但它較玻璃纖維價(jià)格昂貴，只在風(fēng)電業(yè)中因其性價(jià)比較好，從而獲得發(fā)展。

40多年前，聯(lián)碳公司以粘膠纖維為原料開發(fā)了碳纖維，并開始在航天業(yè)中應(yīng)用。20世紀(jì)90年代以來，其價(jià)格下降，使其在航天業(yè)中應(yīng)用擴(kuò)大。性價(jià)比的變化，使碳纖維開始滲入原來使用金屬的行業(yè)，因?yàn)樘祭w維質(zhì)量較輕、強(qiáng)度較高，車輛如用了它，可節(jié)省燃料。碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP，為Carbon Fiber Reinforced Plastics的縮寫）于20世紀(jì)80年代和20世紀(jì)90年代初開始向汽車業(yè)、運(yùn)動(dòng)器材業(yè)、民用基礎(chǔ)設(shè)施、近海采油業(yè)和風(fēng)電業(yè)等部門延伸。

CFRP及GFRP（為Glass Fiber Reinforced Plastics的縮寫）與傳統(tǒng)金屬材料中的鋼和鋁相比較，有明顯的優(yōu)勢(shì)。首先是比重低，CF為1.8，GF為2.56，而鋼和鋁分別為7.8和2.7；CF的比重不到鋼的四分之一，為鋁的三分之二；其次是強(qiáng)度高，CF的強(qiáng)度為鋼的5倍，鋁的7倍；而且，CFRP較GFRP的抗疲勞性能和剛度要好。所以，CFRP是一種21世紀(jì)超過GFRP的創(chuàng)新材料，使得它在制作風(fēng)電透平葉片時(shí)，具有較強(qiáng)的吸引力。

碳纖維的前置體

CF的前置體早先為粘膠纖維，后來杜邦公司證實(shí)用聚丙烯腈（PAN）為前置體，可產(chǎn)出熱穩(wěn)定性良好的CF。日本Shindo公司和英國(guó)Watt公司開發(fā)了碳化工藝，使所產(chǎn)CF具有較好的機(jī)械性能。簡(jiǎn)言之，凡在高溫?zé)峤鈺r(shí)，能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)碳的前置體，都可用來生產(chǎn)CF。目前廣泛使用的前置體是PAN和瀝青（粘膠纖維雖不用作結(jié)構(gòu)材料的CF，但仍用于制作絕緣材料和“燒蝕（ablative）”材料的CF）?，F(xiàn)在全球80%的CF來自PAN，以瀝青為前置體的CF廠商多位于日本。以瀝青為前置體生產(chǎn)CF時(shí)產(chǎn)率較高，接近80%，而PAN制CF的產(chǎn)率僅50%，這是由于瀝青含碳量高達(dá)93%，而PAN含碳量?jī)H為68%。據(jù)稱，PAN基的CF機(jī)械性能較好。瀝青是石油或煤焦油蒸餾的副產(chǎn)物，其質(zhì)量和組成常有變化，因而用得較少；而PAN則是用丙烯和氨合成為丙烯腈，再經(jīng)聚合而成，其質(zhì)量可保持一致。

CF的分類

CF通常根據(jù)絲束中所含絲數(shù)來分類，可分為：?。Ｒ?guī)絲束（3K，6K和12K），大絲束（24K，8K，57K和80K）。如12K即絲束中所含絲數(shù)為12 000根。小絲束CF多用于航天領(lǐng)域，要求其機(jī)械性能優(yōu)良。大絲束CF用于產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，其機(jī)械性能保持合理水平即可。24K CF現(xiàn)也在航天領(lǐng)域中應(yīng)用，并擴(kuò)展至風(fēng)電業(yè)作增強(qiáng)材料用。

如按用途分，CF可分為航天領(lǐng)域用和非航天領(lǐng)域用兩大類。

CF的發(fā)展和演變

1980年，全球CF的市場(chǎng)需求約為1 kt／a TPA，主要用于航天業(yè)。1990年開發(fā)了較廉價(jià)的PAN為前置體，促使CF發(fā)展迅速。1991年，CF的市場(chǎng)需求增至5 kt／a TPA，1995年，為9 kt／a TPA，2000年增至13 kt／a TPA。到了21世紀(jì)，其需求加速，頭7年里，年增長(zhǎng)率為16%～17%，需求量為30 kt／a TPA，2010年，預(yù)計(jì)其需求量將達(dá)到45 kt／a TPA。2007－2008年，隨著石油價(jià)格的升高（135美元／桶，或更高一些）和經(jīng)濟(jì)下滑，使得波音公司生產(chǎn)的787型夢(mèng)想客機(jī)延期交貨，空中巴士A350（波音787型夢(mèng)想客機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手）也要延遲到2014年才能商業(yè)運(yùn)行，這些都導(dǎo)致了航天業(yè)對(duì)CF需求的下降。目前，波音787型夢(mèng)想客機(jī)已于2009年12月完成試飛，將于2010年4季度開始商業(yè)生產(chǎn)，自2013年起，每月將滿負(fù)荷地生產(chǎn)10架；由于它和空中巴士A350都要使用CF，再加上CF已在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域里的廣泛應(yīng)用，而2006－2007年以來，CF的價(jià)格持續(xù)下降，使得小／常規(guī)絲束的CF供不應(yīng)求。因?yàn)镃F生產(chǎn)裝置的建設(shè)至少需要15個(gè)月，致一些航天業(yè)領(lǐng)先CF廠商提前擴(kuò)建，新增的生產(chǎn)能力要到2010年才能滿足需求。

隨著CF需求的增長(zhǎng)，要求它在生產(chǎn)中，改善工藝參數(shù)，提高生產(chǎn)率，在保持性能的前提下，降低成本。CF的產(chǎn)量主要取決于生產(chǎn)線的速率（m／min）和氧化爐的設(shè)計(jì)／工藝參數(shù)。過去4年里，已在這方面做了大量工作，使CF的成本有了降低。

根據(jù)2009年的實(shí)績(jī)和對(duì)2014年的預(yù)測(cè)，全球各領(lǐng)域的CF耗用份額（%）如表1所示：

表1 全球各領(lǐng)域的CF耗用份額 ，%