張傳雄

摘要：從碳纖維紡絲、預(yù)氧化、碳化、復(fù)合成型和回收利用等方面概述碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)現(xiàn)狀，分析碳纖維及復(fù)合材料市場(chǎng)現(xiàn)狀以及在國(guó)防航空、交通工具、風(fēng)力發(fā)電、運(yùn)動(dòng)休閑、土木建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，指出中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題及建議。

關(guān)鍵詞：聚丙烯腈；碳纖維；復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TQ342+.74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Current Situation of the Carbon Fiber and Related Composites Industry

Abstract： By discussing the spinning， pre-oxidation， carbonization， compounding and recycling technologies for making carbon fiber and related composites， the paper discussed the present situation of technological development in the field of carbon fiber and related composites； analyzed the market situation of such products and their application prospects in aerospace， national defense， wind turbine， sport and leisure， transportation vehicles， civil-engineering， etc. It also pointed out some problems existing in Chinas carbon fiber industry and gave related solutions.

Key words： polyacrylonitrile； carbon fiber； composites

碳纖維分為PAN基碳纖維、粘膠基碳纖維和瀝青基碳纖維，其中PAN基碳纖維市場(chǎng)占有率超過90%，其生產(chǎn)流程包括纖維紡絲，預(yù)氧化、碳化，復(fù)合成型和回收利用等流程。

1 碳纖維及復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 原絲生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

原絲的高純化、高強(qiáng)化、致密化以及表面光潔是制備高性能碳纖維的首要條件。在PAN基碳纖維生產(chǎn)中，原絲約占總成本的50% ～ 60%，原絲質(zhì)量既影響碳纖維的質(zhì)量，又制約其生產(chǎn)成本。

原絲生產(chǎn)包括聚合和紡絲。原絲聚合是丙烯腈和第二單體、第三單體在引發(fā)劑作用下進(jìn)行共聚反應(yīng)，生成PAN紡絲液。日本東麗采用AIBN（偶氮二異丁腈）作引發(fā)劑，二甲基亞砜（DMSO）作溶劑，DMSO+AIBN體系憑借其操作安全和高質(zhì)量產(chǎn)品，成為碳纖維丙烯腈聚合的主流方法。PAN基碳纖維原絲通過濕法和干噴濕紡紡絲工藝制造。濕法紡絲是碳纖維生產(chǎn)普遍采用的方法，其技術(shù)成熟，易工程化，所得原絲纖度均勻且纖維表面溝槽結(jié)構(gòu)易于后道復(fù)合加工；干噴濕紡是將干法和濕法結(jié)合的新方法，可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)原絲的細(xì)纖化和均質(zhì)化，紡絲速度是濕法紡絲的 5 ～ 10倍，是高性能原絲生產(chǎn)最好方法之一。東麗、三菱麗陽，美國(guó)赫氏和韓國(guó)曉星都擁有干噴濕紡紡絲技術(shù)，中國(guó)中復(fù)神鷹、中油吉化等少數(shù)企業(yè)掌握干噴濕紡T700級(jí)碳纖維原絲生產(chǎn)技術(shù)，但產(chǎn)品的穩(wěn)定性有待提高。

1.2 碳纖維的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

原絲經(jīng)預(yù)氧化、碳化和后處理等工藝制得碳纖維。預(yù)氧化是纖維組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過渡階段，在保證絲條均質(zhì)化的前提下，縮短預(yù)氧化時(shí)間，可以降低生產(chǎn)成本。碳化是纖維亂層石墨結(jié)構(gòu)的成形階段，可使纖維強(qiáng)度大幅提升，碳化條件控制不當(dāng)會(huì)造成纖維結(jié)構(gòu)中有空隙、裂紋等缺陷，影響碳纖維性能。石墨化即高溫下牽伸，使纖維由亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，提高碳纖維彈性模量。

碳化爐是制造碳纖維的關(guān)鍵設(shè)備，國(guó)產(chǎn)碳化爐發(fā)熱體最高耐熱溫度1 400 ℃，而國(guó)外大規(guī)模高溫碳化爐對(duì)我國(guó)實(shí)行出口限制，中等規(guī)模碳化爐價(jià)格又很高，提高了國(guó)內(nèi)碳纖維的建設(shè)成本，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)碳纖維市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足，研發(fā)高強(qiáng)級(jí)碳纖維生產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)設(shè)備迫在眉睫。

1.3 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)現(xiàn)狀

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是以碳纖維及織物為增強(qiáng)體、樹脂為基體制成，其代表是以三維編織物為增強(qiáng)體，采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）進(jìn)行浸膠固化而成的三維編織復(fù)合材料。三維編織技術(shù)具有較強(qiáng)的仿形編織能力，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體編織，常用編織工藝有四步法、二步法及多層聯(lián)鎖編織工藝。四步法操作靈活性強(qiáng)，編織物整體結(jié)構(gòu)好，但編織速度較慢，對(duì)設(shè)備要求較高；二步法織造簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，適合編織較厚制件，但其執(zhí)行機(jī)構(gòu)以間斷的離散方式運(yùn)動(dòng)；多層聯(lián)鎖編織工藝編織的織物機(jī)械性能好，設(shè)備可平穩(wěn)連續(xù)工作，但不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。目前可滿足大而厚預(yù)制件編織需求的大型三維編織機(jī)不多，設(shè)計(jì)與研發(fā)高水平的三維編織機(jī)仍是努力的方向。

三維編織實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)材料的整體成型，而RTM工藝正是適于整體成型的工藝方法。RTM工藝是將液態(tài)樹脂注入閉合模具中浸潤(rùn)增強(qiáng)材料并固化成型的工藝方法，是接近最終形狀部件的生產(chǎn)方法，基本無需后續(xù)加工。由于其效率高、能耗低、工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適宜多品種、高質(zhì)量的先進(jìn)復(fù)合材料加工。RTM-三維編織復(fù)合材料是完全整體結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比，具有較高的損傷容限、強(qiáng)度和模量，為復(fù)合材料應(yīng)用于承力結(jié)構(gòu)件，特別是應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域提供了廣闊前景。

1.4 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料回收利用現(xiàn)狀

回收利用碳纖維可降低能耗、節(jié)約能源，主要方法有高溫?zé)峤夥ā⒘骰卜纸夥ê统?亞臨界流體法。高溫?zé)峤夥ㄊ窃诟邷叵率箯?fù)合材料降解，回收的碳纖維力學(xué)性能降低幅度較大，影響碳纖維再利用，是目前唯一商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的回收方法；流化床熱分解法采用高溫空氣熱流對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行高溫?zé)岱纸猓ǔＳ眯L(fēng)分離器來獲得表面干凈的碳纖維，由于受高溫、砂粒磨損的影響，碳纖維長(zhǎng)度變短、力學(xué)性能下降，影響回收碳纖維的應(yīng)用范圍；超/亞臨界法是利用液體在臨界點(diǎn)附近具有高活性和高溶解性等性能來分解復(fù)合材料，最大限度地保留碳纖維的原始性能，由于其獨(dú)特的優(yōu)越性，受到產(chǎn)業(yè)界高度重視，將可能成為碳纖維主要回收方法之一，目前多數(shù)回收技術(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)階段，商業(yè)化道路漫長(zhǎng)。

2 碳纖維及復(fù)合材料市場(chǎng)現(xiàn)狀分析

2.1 碳纖維市場(chǎng)現(xiàn)狀分析

碳纖維分為大絲束碳纖維（>24K）和小絲束碳纖維（<24K），2014年全球小絲束碳纖維產(chǎn)能超過10萬t，其中日本東麗、東邦和三菱三家企業(yè)的產(chǎn)能約占全球一半，主要用于航天航空和高端工業(yè)領(lǐng)域。全球大絲束碳纖維產(chǎn)能超過3.5萬t，其中東麗收購的美國(guó)Zoltek公司和德國(guó)SGL的產(chǎn)能超過全球的3/4，主要用于工業(yè)和體育休閑領(lǐng)域。全球碳纖維需求量超過5萬t，預(yù)計(jì)2020年將到8.9萬t，2010 — 2020年復(fù)合年均增長(zhǎng)率超過10%（表 1）。碳纖維在國(guó)防航空、風(fēng)力發(fā)電、運(yùn)動(dòng)休閑、交通運(yùn)輸、土木工程等 5 個(gè)領(lǐng)域需求占比分別為30%、14%、14%、11%和5%。

2.2 碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)現(xiàn)狀

2013年碳纖維復(fù)合材料總產(chǎn)值147億美元，其中CFRP產(chǎn)值94億美元，約占64%。碳纖維復(fù)合材料的需求7.2萬t，2020年需求將達(dá)14.6萬t（表 2），2010 — 2020年復(fù)合年均增長(zhǎng)率超過11%。

碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用到國(guó)防航空、交通工具、風(fēng)力發(fā)電、運(yùn)動(dòng)休閑、土木建筑等領(lǐng)域，各領(lǐng)域產(chǎn)值見表 3。

（1）國(guó)防航空

2013年碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在國(guó)防航空領(lǐng)域產(chǎn)值達(dá)41.2億美元，其中民用航空24.7億美元，占60%，軍用飛機(jī)占16%，商業(yè)飛機(jī)占8%。在航空領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料占空客A380結(jié)構(gòu)材料的20%以上，波音787結(jié)構(gòu)材料中近50%使用碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)塑料。碳纖維復(fù)合材料取代金屬結(jié)構(gòu)材料，減輕機(jī)身質(zhì)量，節(jié)約燃油，在航空領(lǐng)域應(yīng)用不斷拓展。在國(guó)防領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料已用于隱形機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈等開發(fā)。美國(guó)研制出世界上最小無人機(jī)，主體由碳纖維制成，僅重106 mg，用于搜索和救援行動(dòng)，美國(guó)F-22和F-35戰(zhàn)斗機(jī)，歐洲A400M大型軍用運(yùn)輸機(jī)，日本M-5火箭等都在不斷拓展碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用。美國(guó)防部在“面向21世紀(jì)國(guó)防需求的材料研究”報(bào)告中強(qiáng)調(diào)，“到2020年，只有復(fù)合材料才有潛力使裝備獲得20% ～ 25%的性能提升”。

（2）交通工具

2013年碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在交通工具領(lǐng)域產(chǎn)值達(dá)22億美元，其中汽車領(lǐng)域10.1億元，占總產(chǎn)值46%，卡車領(lǐng)域占18%，摩托車占15%，客運(yùn)火車占13%。CFRP具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，逐漸成為汽車輕量化首選材料。試驗(yàn)證明，汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%；汽車質(zhì)量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3 ～ 0.6 L。全球大型汽車制造商積極聯(lián)合碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，旨在突破碳纖維零部件的低成本工業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于普通汽車。

（3）風(fēng)力發(fā)電

2013年碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域產(chǎn)值達(dá)17.6億美元，消耗碳纖維約6 700 t。1985年風(fēng)輪平均直徑僅15 m，單位產(chǎn)出低于 1 MW，到2013年風(fēng)輪平均直徑達(dá)100 m，平均產(chǎn)出為2.5 MW。當(dāng)風(fēng)輪葉片長(zhǎng)度在40 ～ 50 m時(shí)，碳纖維是唯一能用于制造葉片的材料，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，也必然會(huì)促進(jìn)碳纖維在這領(lǐng)域快速發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電主要集中在3 個(gè)國(guó)家，2013年中國(guó)達(dá)91 GW，占全球30%，其次是美國(guó)和德國(guó)，分別達(dá)62G W和34 GW。

（4）運(yùn)動(dòng)休閑

2013年碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域產(chǎn)值達(dá)14.7億美元，其中高爾夫桿等產(chǎn)品產(chǎn)值5.6億美元，占38%，網(wǎng)球和羽毛球球拍占21%，自行車占14%。運(yùn)動(dòng)休閑用碳纖維消耗量最大在亞洲，特別是中國(guó)，高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、釣魚竿、自行車架、船槳、公路賽車等都用到碳纖維。由于成本問題，制約碳纖維在該領(lǐng)域的快速發(fā)展，預(yù)計(jì)2015年全球運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求增長(zhǎng)依然保持在4%左右。

（5）土木建筑

2013年碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在建筑工程領(lǐng)域產(chǎn)值達(dá)5.9億美元，消耗碳纖維約2 300 t。隨著碳纖維成本降低與復(fù)合材料加工技術(shù)的發(fā)展，土木建筑領(lǐng)域?qū)⒊蔀樘祭w維復(fù)合材料應(yīng)用新市場(chǎng)。碳纖維復(fù)合材料層板加固或修復(fù)橋梁及建筑物，碳纖維增強(qiáng)混凝土等都將會(huì)有很大發(fā)展。在美國(guó)約有30萬座橋有潛在維修需求，德國(guó)在2030年前將投入160億歐元，用于修復(fù)橋梁和路面。預(yù)計(jì)未來 5 年，碳纖維復(fù)合材料在土木建筑領(lǐng)域?qū)⒁?%左右速度增長(zhǎng)。

3 中國(guó)碳纖維發(fā)展之路

2013年我國(guó)碳纖維產(chǎn)能達(dá)1.8萬t，實(shí)際產(chǎn)量約3 000 t，全為小絲束。碳纖維指標(biāo)達(dá)到東麗公司T300水平，但質(zhì)量穩(wěn)定性還需提高；干噴濕法紡絲T700級(jí)碳纖維實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但產(chǎn)品質(zhì)量有待穩(wěn)定；T800、M40J、M50J等高品質(zhì)碳纖維仍在中試或攻關(guān)階段。國(guó)際上碳纖維高端技術(shù)和產(chǎn)品對(duì)中國(guó)實(shí)行封鎖，并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)中國(guó)碳纖維市場(chǎng)進(jìn)行降價(jià)打壓，企圖遏制中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。受國(guó)外低價(jià)傾銷和惡意競(jìng)銷行為影響，國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)基本處于全線虧損境地。

中國(guó)碳纖維發(fā)展需重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：一是組織技術(shù)攻關(guān)。重點(diǎn)解決T300級(jí)等中低端碳纖維產(chǎn)品穩(wěn)定性和成本控制問題，加快T700級(jí)等中高端碳纖維產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化及高模量碳纖維研發(fā)，加強(qiáng)高品質(zhì)油劑、上漿劑、樹脂等輔助材料配套能力，加快預(yù)氧化爐和多段寬口碳化爐等設(shè)備研發(fā)。二是加強(qiáng)應(yīng)用牽引。建立產(chǎn)學(xué)研用產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，以應(yīng)用需求為牽引，深化碳纖維生產(chǎn)與應(yīng)用企業(yè)合作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。三是深化軍民融合。加大滿足國(guó)防發(fā)展需求的高端碳纖維及復(fù)合材料的研發(fā)力度，打破體制機(jī)制束縛，引導(dǎo)優(yōu)勢(shì)民企進(jìn)入軍品領(lǐng)域，加快提升碳纖維行業(yè)軍民融合水平。四是推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。建立適合我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)并與國(guó)際接軌的碳纖維標(biāo)準(zhǔn)體系，解決限制我國(guó)碳纖維下游應(yīng)用瓶頸的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)范問題，逐步擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)碳纖維對(duì)進(jìn)口碳纖維的替代。五是加強(qiáng)人才培養(yǎng)。培養(yǎng)一批高端生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)人才，推動(dòng)“產(chǎn)學(xué)研用”產(chǎn)業(yè)鏈一體化發(fā)展。

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