碳纤维工业发展现状

碳纤维工业发展现状

碳是指含有超过90%的碳元素的纤维材料。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化制得的。碳纤维具有十分优异的力学性能,同时兼具其他多种优良性能如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高、非磁体但有电磁屏蔽性等性能。碳纤维按工业化生产原料路线可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。从粘胶纤维、沥青制取碳纤维技术难度大,设备复杂,产品成本较高未得到大规模发展。由聚丙烯腈纤维原丝可制得高性能的碳纤维,其生产工艺较其他方法简单,且产品的力学性能优良,用途广泛。因而自碳纤维问世以来取得了长足的发展,成为当今碳纤维工业生产的主流。根据产品规格的不同聚丙烯腈(PAN)基碳纤维分两大类,即小丝束碳纤维(CT)和大丝束碳纤维(LT)。通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维,包括48K、60K、120K、360K和480K等;小丝束碳纤维初期以1K、3K、6K为主,后来逐渐发展到12K和24K,主要应用于国防军工产品及体育休闲用品。1关于碳硅庆祝1.1世界碳纤维生产情况目前世界碳纤维生产和技术主要集中在日本、美国等少数几个国家,其中日本占全球产能的50%以上,美国占全球产能的27.5%。图1列出了2009年世界主要公司的碳纤维产能分布。初步统计2009年小丝束生产能力56415t,大丝束生产能力24500t,总计生产能力达到80915t。图2列出了大、小丝束碳纤维产能统计表。表1是近几年世界碳纤维的主要应用领域分布,2008年工业领域、航空航天、体育休闲三大领域的应用量比为56∶30∶14。1.2主要依赖进口国内自20世纪60年代开始碳纤维研究开发,进展一直很缓慢,但“十五”以来我国碳纤维产业得到了空前的发展,在低等级碳纤维方面取得了突破,形成了的碳纤维没能实现大规模工业化生产,主要依赖进口。国内从事碳纤维研发与生产的单位有20多家,分布在全国十多个省市,据统计2009年国内的产量在1320t。由于近年投资热情高涨,到2010年国内包括在建产能大约1.2万t,其中大部分为在建和拟建部分,如表2所示。目前国内生产的碳纤维主要应用于体育休闲领域占60%以上,而航空航天、工业等领域用量还比较少(见表3)。据海关统计,2010年碳纤维及制品进口量为10966t,体育休闲占进口量的64.5%,工业领域占进口量的20.9%,而航空航天只占进口量的0.6%。增幅较大的是风力发电叶片、气瓶、船艇、机械配件等。1.3关于碳应用的领域碳纤维主要应用在工业、体育用品、航空航天等方面,而风能、航空航天和建筑加固领域是今后最有发展潜力的应用领域。1.3.1风力发电材料鉴于全球能源紧缺的影响及人们对环境保护意识的提高,开始把眼光投向风力发电。每生产1千瓦时风电较火力发电少排放约600g二氧化碳,因此风力发电越来越受到世界各国的重视,已成为人类开发新能源的重要领域。在2010年,全球风电总装机容量达199520MW,发电量超过4099亿kW·h,占世界电力总发电量的1.92%。2010年中国风电新增装机容量达到18928MW,比2009年提高了37.7%,占全球新增装机容量48%,超过美国成为世界第一大风电市场。如何提高发电效率,以获得更大的风能,一直是风力发电追求的目标。捕风能力的提高与叶片的形状、长度和面积有着密切的关系,叶片尺寸的大小则主要依赖于制造叶片的材料。叶片的材料越轻、强度和刚度越高,叶片抵御载荷的能力就越强,叶片就可以做得越大,它的捕风能力也就越强。过去,人们大量使用玻璃纤维增强塑料(GFRP)制造叶片。随着超大型叶片的出现,叶片长度不断增加,叶片对增强材料的强度和刚度等性能也提出了新的要求,玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足,因而轻质高强、耐久性好的碳纤维复合材料就成为了目前大型风力发电叶片的首选材料。据分析,采用CF/GFRP混杂增强的方案,叶片可减重20%~40%。国内正在研发于2MW以上的风力发电叶片上使用碳纤维复合材料。1.3.2其他新型材料碳纤维复合材料具有比强度、比模量高,耐疲劳和尺寸稳定性好等系列优点,是新一代武器装备发展的基础材料,被广泛用作飞机和飞船的结构材料。例如,飞机的主翼、尾翼和机体一次构造材料;副翼、方向舵、升降舵、内装材料、地板材、桁梁、刹车片等二次构造材料,以及直升飞机的叶片;火箭的排气锥体、发动机盖等;人造卫星结构体、太阳能电池板和天线、运载火箭、导弹壳体等。从民用飞机发展来看,美国波音公司B707上没有采用复合材料,757先进复合材料的用量为3%~4%,B767达到4%~5%,B777则达到10%~11%。欧洲空中客车公司的复合材料用量比美国波音公司的高,A300-600达5%~6%,A310接近10%;到A321、A330和A340的先进复合材料用量都增长到13%~公司大力开展先进复合材料在民用飞机上的应用研究,取得了很大成绩,如B787先进复合材料的用量高达50%。同期欧洲空中客车公司大型客机A380上先进复合材料的用量也在25%左右。1.3.3纤维增强复合材料在防水建筑加固中的应用目前对工程建筑的要求越来越高,在有些条件下传统建筑材料很难满足这种发展要求,混凝土材料建筑物在20~30年就必须进行大修或维修加固。此外,随着国家抗震要求和设防标准的提高,许多地区的现有建筑不能满足新设防的抗震要求,需要进行加固或重建。在欧美发达国家中,目前用于建筑加固改造的投资已占国家建筑业总投资的1/2以上。由于土建结构常用的几种传统加固方法存在某些局限性,使得它们不能满足一些耐久性和美观方面的需求,或受到施工条件制约而无法实施。纤维增强复合材料的比强度远高于钢材,比模量大多数也高于钢材。这一优良的力学性能使其作为土木工程结构加固和修补材料在日本、美国、欧洲等国家和地区得到了大量的推广应用。碳纤维材料具有与钢材相当的弹性模量,同时表现出比普通钢材高十倍的抗拉强度,其耐腐蚀性能和耐久性能也很优异。因此用碳纤维补强混凝土结构时不需要增加螺栓和铆钉固定,抗蚀和耐久性能也很优异,对原混凝土结构扰动较小,施工工艺简便。2碳纤维的未来自2004年随着碳纤维在汽车应用上的起步、飞机应用及风力发电等领域的扩大,碳纤维的需求快速增加,使全球碳纤维供应呈严重短缺现象,促使世界各国碳纤维生产厂家纷纷加大资金投入、扩大产能,碳纤维的生产进入高速发展时期。由于全球对碳纤维需求的持续增长,预计未来碳纤维还将以超过10%年增长率速度持续增长。随着碳纤维生产技术的发展及应用领域不断细化升级的要求,碳纤维的应用进入了“量体裁衣”时代。要求其性能不断提高完善,产品规格和品种呈多样化发展。如日本东丽公司的小丝束碳纤维品牌就有20多个,使用最为广泛的T300碳纤维的抗拉强度从进入市场之初的大约3000MPa,逐步提高到今天的3800MPa。碳纤维的质量稳定性也需要不断改进,抗拉强拉弹性模量的离散系数从4%降到目前的1%。因此未来碳纤维技术指标的逐步升级及产品系列化发展是其未来发展的必然趋势。由于碳纤维复合材料具有高比强度、设计性好、结构尺寸稳定性好、抗疲劳断裂性好和可大面积整体成型,以及特殊的电磁性能和吸波隐身的特点,可大量用于生产军用、民用飞机及战略导弹和运载火箭上,因此碳纤维复合材料的需求量稳步增长。3国内外碳发展的差距与建议3.1我国碳纤维的发展现状尽管我国从20世纪60年代后期就开始PAN基碳纤维研究工作,且与国外开始的时间相差不远;但由于在原丝与碳化的关键技术及设备上一直未能取得突破,特别是PAN原丝技术停滞不前,因此与世界上碳纤维生产先进水平的国家相比,在数量和质量上差距越拉越大。其主要表现有以下四个方面:(1)数量和规模均低于国外水平。国内碳纤维的发展现状与当代碳纤维的发展速度极不相称,既满足不了高水平的军工需要,也无法满足对通用级民用碳纤维的需要。国外单线规模已经达到数千吨,国内大部分还是数百吨,甚至数十吨。(2)国产原丝性能差。国内碳纤维原丝只能达到相当于东丽T300指标的PAN基碳纤维水平,而东丽已有大于T1000的商品问世。国外如日本T300碳纤维正逐步被T700碳纤维取代,生产这种规格的原丝需求越来越大,而国内尚未研制出产业化的这种原丝。(3)应用研究和市场开发滞后。国内碳纤维的应用研究和市场开发基本空白,产品单一,规格、品种少,仅有小丝束原丝;而大丝束原丝是空白,制约了碳纤维的最终品种和应用,无法适应快速增长的市场需求。(4)生产装备的技术水平低。国内生产碳纤维的装备自动化水平低,无法保证质量的稳定性;且绝大部分装备没有自主知识产权,大大影响了产品进入国际市场。3.2关于中国碳发展的建议3.2.1引进技术,自主创新相结合碳纤维生产工艺流程长和技术关键点多,是多学科、多技术的集成。发展我国的碳纤维工业,当前必须解决工程化问题。可采用对引进技术消化吸收与自主创新相结合办法,尽快实现国产化生产。在此过程中首先必须要提高原丝质量,只有高质量的原丝才能生产出高性能碳纤维,才能稳定生产,提高产量,降低成本。由生产1K、3K原丝转向生产6K、12K或24K原丝工业化技术研究,同时需要加强预氧化、碳化及表面处理工程技术的研究开发。3.2.2条龙、龙、民所参与的碳纤维研究模式碳纤维的研发和生产具有涉及学科多、流程长、工艺复杂、管理水平要求高的特点,特别是用于军工产品的材料需经过反复试验,质量要求高,定型周期长。在军用航空航天等领域,应采用国防科工委“一条龙”模式,即由碳纤维的最终用户(如航空、航天等军工部门)牵头,采取行政或市场手段组织科研、工程设计、设备制造和碳纤维生产等单位及相关部门参加,协同开展碳纤维的基础研究,工程化研究及相关配套研究。“一条龙”模式以需求为导向,能够明确碳纤维研发和产业化活动的发展目标、任务及各相关主体的责任,解决政府部门多头管理及科研、设备制造、生产、用户之间彼此脱节的问题,有利于建立有效的约束激励机制,推进项目进程。在民用领域要鼓励碳纤维的研发、生产和下游应用的紧密结合,并形成共同投资、共同发展共同盈利的集团式企业,以应用带动民用碳纤维的发展和产业化。3.2.3健全社会合作机制国家应建立碳纤维产业发展的信息平台和知识共享机制,保障知识和信息的充分流动。一是建立由主要碳纤维科研机构和企业参加的行业协会,推进相互间的交流与合作;二是依托权威机构建立碳纤维产业信息平台,使行业内外的企业能够及时、全面地掌握产业信息;三是整理、汇总近年来政府各部门支持的碳纤维领域的研究成果,确定知识产权归属,建立有偿使用制度,保障创新能够在已有基础上推进;四是重点加强碳纤维产业知识产权保护的执法力度,保障知识产权所有者的利益,促进研发、工程设计机构与设备制造和碳纤维生产企业之间的资源整合。3.2.4大适用范围,大覆盖碳纤维很少有直接使用,大多是经深加工制成中间产物或复合材料后使用。为此,应大力开展应用研究,扩大适用范围,形成产业链,提升其附加值;通过上下游产业共同努力,形成良性互动,使我国碳纤维产业走上健康快速发展的轨道。逐步建立健全碳纤维工业生产及应用研发体系,立足自身,加强交流与合作,同时密切关注国际上著名碳纤维厂商技术发展进程,借鉴其发展经验,加快发展步伐,努力缩小与国际间的差距。3.2.5行政手段相结合国内PAN基小丝束的生产厂家较多,而大丝束是国内的空白,因此开发生产大丝束是国内重要的一个发展方向。要避免小规模、低水平的重复建设,要通过资本运作和行政手段相结合的方法对国内目前的技术、人才和设备资源进行有效整合,并吸引大型化纤企业的参与和投资,形成集中、明确的产品目标和合理的生产规模。要尽快做强做大原丝和碳纤维,降低原丝和碳纤维成本,提高碳纤维的市场竞争力。针