碳纤维的研究现状与发展趋势

碳纤维的研究现状与发展趋势

碳纤维（co）是一种含有超过90%碳的新材料。这些碳纤维通过高温（1000.30c）分解和钙化，形成90%以上的新高度碳。其强度比钢铁高,密度比铝小,具有轻质、高强度、高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性,在航空航天、汽车、能源、体育休闲等领域具有较高的应用价值,被称为21世纪的“黑色黄金”按原丝类型,碳纤维通常可分为三类:聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青(Pitch)基碳纤维和黏胶(Rayon)基碳纤维。其中,PAN基碳纤维因生产工艺简单、成本较低、力学性能优良等特点,已成为当今世界产量最高、应用最广的一种碳纤维,市场占有率高达90%以上;而沥青基碳纤维市场占有率在7%左右。表1按每束丝束数量,碳纤维可分为小丝束和大丝束两种。通常,每束碳纤维数量大于48000(简称48k)根的被称为大丝束碳纤维(也称工业级大丝束),另外还包括60k、120k、180k、320k和360k等。每束碳纤维丝束的数量小于24k及以下的碳纤维称为小丝束碳纤维(也称宇航级小丝束),另外还有1k、3k、6k、12k和24k等相比大丝束碳纤维,小丝束碳纤维的生产工艺控制要求更严格,生产成本也较高,但丝束越小制造出来的产品也越轻薄,性能也越高。小丝束碳纤维主要应用于航空航天、军工等高端领域;工艺要求相对不那么严格、生产成本相对较低的大丝束碳纤维主要应用于汽车、风力发电等工业领域。未来,碳纤维的性能有望得到进一步改善,成本也会更低,其应用范围会更广。1市场状况1.1全球市场1.1.1其他碳纤维生产企业2017年碳纤维理论产能为147kt/a,整体平均开工率在70%左右,近10年的年均增长率为9.3%,历年碳纤维产能情况如图2所示。目前全球最大的碳纤维制造商为日本的东丽株式会社(Toray,以下简称“东丽”),在其成功收购美国最大的大丝束碳纤维生产商卓尔泰克公司(Zoltek,下称“卓尔泰克”)之后,已毫无疑问地成为全球碳纤维领域的霸主,总产能达到42kt/a。目前东丽在美国、墨西哥、法国、意大利、德国、匈牙利、韩国及日本都有生产基地。国际上其他主要碳纤维生产企业分别为德国的西格里碳素集团(SGL,下称“西格里”),日本的三菱丽阳株式会社(MRC,下称“三菱丽阳”)和东邦机械工业株式会式(TOHO,下称“东邦”),中国台湾的台塑集团(FPC),美国的赫氏公司(Hexcel)和氰特公司(Cytec,已被苏威收购),中国大陆的中复神鹰碳纤维有限公司、江苏恒神股份有限公司、精功集团有限公司、威海光威复合材料有限公司、兰州蓝星碳纤维有限公司和中安信科技有限公司,另外还有韩国的晓星集团(Hyosung)和泰光工业公司(TKI),土耳其的阿克萨公司(DowAksa),以及俄罗斯的UMATex。韩国晓星、泰光是日本东丽在韩国的产业转移承接企业,都是资深的化纤企业,对碳纤维有很大的战略安排,未来随着技术的日渐成熟,这些企业会成为碳纤维的重要生产厂家。各公司生产能力具体如图3所示从地域分布1.1.2碳纤维在应用领域广泛应用2017年全球碳纤维需求量约在8.42万t左右,预计在2019年突破10万t大关。近10年碳纤维需求量平均年增长率为9.8%,预计未来仍将以10%左右的速率增长。历年全球碳纤维需求情况见图5在下游应用方面(见表2),碳纤维在军事、工业和民用等领域都有应用,主要为:航空航天、汽车工业、风电叶片,体育用品、混配模成型、压力容器、建筑补强、电子电器,等等。其中:风电叶片为最大应用领域,用量约占23.5%;航空航天为第二大应用领域,占22.8%;体育休闲为第三大应用领域,占15.7%。而应用价值占比位于前三位的分别是航空航天(48.9%),体育休闲(12.9%),风电叶片(11.8%)。1.2国内市场1.2.1中国碳纤维行业总体技术正在成熟2017年中国碳纤维理论产能达到26kt/a,但实际产量约7400t,实际开工率约为28.5%,与国际63.4%的平均开工率有不小的差距。中国碳纤维产业始终处在“有产能,无产量”的局面,归其原因还是中国碳纤维行业总体技术尚未成熟稳定,产品质量及性价比相对较低。但从历年数据(见图6)来看,中国碳纤维的开工率是在不断提升的,产品质量也在不断进步。未来,随着中国碳纤维制造企业技术不断成熟、产品质量逐渐稳定,慢慢得到市场认可后,产量会持续放开。2017年,中国碳纤维产业集中度在加速,7家千吨级碳纤维企业的理论产能已经占到全国的84.8%(2016年为79.6%),预计未来该产业集中度还会上升。图7为中国主要碳纤维制造商理论产能情况。1.2.2中国碳纤维需求增长态势近几年中国碳纤维消费增长迅速,2017年中国碳纤维需求量达到2.3万t,10年平均增长率保持在12%左右,未来中国有望以12%的需求增长率继续快速发展,到2020年需求量有望达到3.3万t。目前,由于中国国产碳纤维难以满足性能和稳定性的要求,中国碳纤维仍以进口为主。随着国内企业对碳纤维生产技术不断摸索,产品质量在不断提升,国内碳纤维产量有着明显的提升。历年中国碳纤维需求情况如图8所示。目前,中国的碳纤维消费结构与国际有着显著的差异(见图9)1.2.3碳纤维预浸料和制品中国碳纤维产业链涉及的税则号主要包括:68159920(碳纤维)、68159932(碳纤维预浸料)和68159939(碳纤维制品)等。近3年的进出口情况如表3所示。近年来,我国碳纤维及制品进口量逐年上升,出口量也平稳增长。虽然我国碳纤维出口量目前还处于低位,但从产业发展来看,目前我国碳纤维生产技术已经有所突破,未来将会有新的增长。2聚丙烯腈基共聚纤维纺丝工艺目前,最广泛使用的PAN基碳纤维纺丝原液工业生产方法有两种。一种方法是将丙烯腈及共聚单体、溶剂、引发剂等混合于反应釜中,在一定的反应温度、时间下进行聚合从而得到PAN原液,再通过脱单、脱泡、过滤等处理,获得满足纺丝要求的纺丝原液以供纺丝。另一种方法是将丙烯腈及共聚单体、引发剂等混合于反应釜中,在一定的反应温度、时间下进行聚合,通过脱单、洗涤、干燥等处理得到PAN粉末,再与溶剂[如三甲基甲酸胺(DMF)、二甲基乙酰脂(DMAc)、二甲基亚砜(DMSO)、浓硝酸、ZnCl纺丝原液的制备难点在于PAN中的氰基有大的偶极,使得PAN分子链以螺旋柱状形式排列,当这些螺旋链放在一起时,邻近的氰基就会采取反平行方式排列从而形成强的相互作用,使PAN链具有高度有序的结构。正是这种氰基之间的相互作用导致了溶液行为的复杂性,给PAN纤维的溶液纺丝带来一些困难,主要表现在:纺丝原液过滤困难,喷头操作周期短,喷头易发生堵孔现象,生产稳定性差,喷丝状态易变差,原丝离散性能大,易出现毛丝、断丝,等。因此,要实现PAN纤维的高性能化,控制PAN溶液的凝聚态结构十分重要。3碳质材料的消费结构中国在