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碳纤维行业专题报告-长期需求看好国内有效供给有待持续释放1碳纤维具备战略地位,我国仍处于追赶阶段1.1碳纤维是重要战略物资,应用领域广泛碳纤维(CarbonFiber,简称CF)是由聚丙烯腈(PAN)(或沥青、粘胶)等有机母体纤维采用高温分解法在1,000摄氏度以上高温的惰性气体下裂解碳化(其结果是去除除碳以外绝大多数元素)形成碳主链机构制成的无机纤维,是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维。碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性,密度比铝低,强度比钢高,是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维,并具有低密度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热及湿膨胀系数低、X光穿透性高、非磁体但有电磁屏蔽效应等特点,是发展国防军工与国民经济的重要战略物资,应用于国防工业以及高性能民用领域,涉及军工、航空航天、海洋工程、体育用品、汽车工业、新能源装备、医疗器械、工程机械、交通运输、建筑及其结构补强等领域。1.2碳纤维的分类碳纤维可以按照原丝种类、力学性能、丝束规格、原丝制备工艺等不同维度分为不同种类。按照原丝种类,目前已实现工业化的碳纤维原丝主要有聚丙烯腈(PAN)原丝、沥青纤维和粘胶丝,由这三大类原丝生产出的碳纤维分别称为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中,粘胶基碳纤维因制造工艺复杂、碳化得率低仅有20-30%,成本高、产量小。沥青基碳纤维尽管原料来源丰富,碳化得率高达80-90%、成本低,但强度较低致使其应用领域受限。PAN基碳纤维由于生产工艺相对简单,产品力学性能优异,用途广泛,自20世纪60年代问世以来,迅速占据主流地位,占碳纤维总量的90%以上,沥青基、粘胶基的产量规模较小。因此,目前碳纤维一般指PAN基碳纤维。按力学性能分,碳纤维分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000MPa、模量为100GPa左右;高性能型碳纤维又分为高强型(强度大于2000MPa、模量大于250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。强度大于4000MPa的又称为超高强型;模量大于450GPa的称为超高模型。碳纤维因其优异的力学性能作为增强材料而广泛应用,因此业内主要采用力学性能进行分类。业内产品分类主要参考日本东丽的牌号,并以此为基础确定自身产品的牌号及级别。按照现行聚丙烯腈基碳纤维国家标准的力学性能分类,PAN碳纤维分为高强型、高强中模型、高模型、高强高模型四类。按照丝束规格,亦即每束碳纤维中单丝根数,碳纤维可以分为小丝束和大丝束两大类别,一般按照碳纤维中单丝根数与1,000的比值命名。早期小丝束碳纤维以1K、3K、6K为主,逐渐发展出12K和24K。小丝束碳纤维性能优异但价格较高,一般用于航天军工等高科技领域,以及体育用品中产品附加值较高的产品类别,主要下游产品包括飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。一般认为40K以上的型号为大丝束,包括48K、50K、60K等。大丝束产品性能相对较低但制备成本亦较低,因此往往运用于基础工业领域,包括土木建筑、交通运输和能源等。随着目前碳纤维制作工艺的提升及产品价格的下降,小丝束在工业领域的运用已逐步拓宽。PAN基碳纤维原丝是生产高品质碳纤维的技术关键,原丝品质缺陷,如表面孔洞、沉积、刮伤以及单丝间黏结等,在后续加工中很难消除,从而造成碳纤维力学性能的下降。PAN基碳纤维原丝的生产过程为将丙烯腈单体聚合制成纺丝原液,然后纺丝成型。按纺丝溶剂区分,包括DMSO(二甲基亚砜)、DMAC(N,N-二甲基乙酰胺)、NaSCN(硫氰酸钠)等不同类别;按照聚合工艺的连续性,可以分为一步法、两步法;按照纺丝工艺,可以分为湿法和干喷湿纺法。1.3碳纤维产业链价值逐环增大,碳纤维制备工艺流程复杂完整的碳纤维产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。从石油、煤炭、天然气均可以得到丙烯,丙烯经氨氧化后得到丙烯腈;丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈(PAN)原丝,再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维,并可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料,作为生产碳纤维复合材料的原材料;碳纤维经与树脂、陶瓷等材料结合,形成碳纤维复合材料,最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。碳纤维产业链下游价值逐环放大。根据《中国碳纤维行业现状及发展趋势》(俞胜华,2016),在碳纤维整体产业链中,不同阶段产品价格大幅增值,同一品种原丝的售价约40元/公斤,碳纤维约180元/公斤,预浸料约600元/公斤,民用复合材料约在1,000元以下/公斤,汽车复合材料约3,000元/公斤,航空复合材料约8,000元/公斤,每一级的深加工都有大幅度的增值。碳纤维制备环节工艺流程复杂,原丝质量决定碳纤维性能高低,氧化碳化工艺决定碳纤维最终力学性能。进入21世纪,碳纤维生产工艺技术己经成熟,其中PAN基碳纤维产能最大、应用最为广泛,工艺技术也相对更加成熟,其生产关键包括单体聚合、纺丝、预氧化、碳化、表面处理等环节。丙烯腈自由基共聚制备纺丝原液,原液通过纺丝工艺得到PAN原丝,原丝再经过预氧化、碳化、石墨化及后处理等一系列工序得到具有乱层石墨结构的高性能碳纤维。其中PAN原丝的质量控制是生产高性能碳纤维的基础,而预氧化和碳化工艺则决定碳纤维最终的力学性能。单体聚合阶段,制备纺丝原液有一步法和二步法,一步法是采用均相溶液聚合的方法,直接获得均一的PAN溶液,再经洗涤、脱单、脱泡一系列处理后得到纺丝原液,优点是黏度低、可直接纺丝,而缺点是产物收率低,溶剂不易再回收,需要有洗涤、精制等工序。二步法是通过非均相聚合工艺,制得PAN固体粒子,粉料再经清洗、干燥、粉碎和溶解后制得均匀的PAN溶液,再经后续的脱单、脱泡处理,获得纺丝原液,相对于溶液聚合,这种方法的优点是可以获得分子量较高、分子量分布比较均匀的聚合物,并且聚合速率较快、转化率较高。缺点是纺丝前需要重新溶解,相较于一步法增加一道程序,同时PAN固体粒子的分离和干燥耗能较大。纺丝:在制备PAN原丝过程中,纺丝工艺主要有湿法纺丝和干喷湿纺。湿法纺丝是纺丝原液从喷丝头出来后直接浸入凝固液中,这种方法工艺简单,容易控制,典型代表是东丽T300、T800,通过这种方法制备的碳纤维表面有沿纤维轴向排布的沟槽,这种沟槽增大了碳纤维表面积有利于碳纤维与树脂的物理啮合,提高复合材料界面结合性能,但同时沟槽也是碳纤维表面的缺陷,容易产生应力集中,影响碳纤维的拉伸强度。干喷湿纺是原液从喷丝头流出后先经过空气再浸入凝液中,纺丝速度快,纤维致密,表面光滑,PAN分子链段沿纤维方向排列取向优化,拉伸强度更高,但缺点是纺丝原液细流断裂后原液容易沿喷丝头漫流,严重影响纺丝过程的连续性,同时容易残留的有机溶剂。预氧化:原丝碳化前,为防止PAN纤维在高温中熔融,要对原丝进行预氧化处理,即将原丝置于200-300℃预氧化炉的氧化气氛中,分子链延纤维轴向取向,形成热稳定性能好的梯形结构。预氧化工艺的关键在于温度控制及设备排风,要及时排除炉内反应热防止局部过热导致纤维断裂。碳化:经过预氧化处理后,预氧丝要在高纯度氮气的保护下进行两次碳化处理,分别是低温碳化,温度一般为300-900℃;高温碳化,温度一般为1200-1800℃。预氧化过程中产生的热稳定性梯形大分子发生交联,氢、氮、氧等元素随着碳化温度升高逐渐裂解排出,纤维中碳元素含量从
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