国内外碳纤维市场分析与研发进展

维普资讯 http://www.cqvip.com ｎ　磋瀚—————　—一　一　——　目前我国高性能碳纤维无论在质量上还是数量上与国外相比还有一定差距，远远满足不了需求。　为此，尽快研究和发展我国自己的高性能碳纤维材料已迫在眉睫。随着我国经济的快速发展，国内碳　纤维的需求与日俱增，而加强技术创新是我国碳纤维加快发展实现产业化的关键。　国内外碳纤维市场分析与　研发进展　◇钱伯章　上海擎督金秋石化科技传播工作室　高性能纤维是指耐热好、质量轻、　技术开发与商业化历程　美国联合碳化物公司（ＵＣＣ）于　１　９５９年开始最早生产粘胶基碳纤维，　２Ｏ世纪５０、６０年代是粘胶基碳纤维　并取得成功。目前ＴｈＯ　ｒｎｅｌ—Ｐ系列高　强度高、高模量的特种纤维材料。作为　高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材　料的固有特征，又兼备纺织纤维的柔　软可加工性，是新一代军民两用新材　料。　性能沥青碳纤维仍是沥青基碳纤维中　最好的产品，这样就形成了ＰＡＮ基、　沥青基和粘胶基碳纤维的三大原料体　系。　的鼎盛时期，虽然目前已开始衰退，但　是它作为耐烧蚀材料至今仍占有一席　之地。１９５９年，日本研究人员发明了　国际市场上碳纤维的全方位商业　碳纤维是由有机纤维或低分子烃　气体原料加热至１　５００ｏｃ所形成的纤　化始于２０世纪７０年代，这是高尔夫球　棒和钓鱼杆应用的引入和发展时期，　用聚丙烯腈（ＰＡＮ）基原丝制造碳纤　维的新方法。在此基础上，英国皇家航　空研究院研制出了制造高性能ＰＡＮ　基碳纤维的技术流程，使其发展驶入　了快车道，ＰＡＮ基碳纤维已成为当前　碳纤维工业的主流，产量占世界碳纤　维状碳材料，碳含量在９０％以上。碳　纤维具有低密度、高强度、高模量、耐　高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低　热膨胀、耐辐射等优良特性，其柔曲　性、比强度和比模量均优于其它纤维　增强体。在宇航工业、航空工业、交通　运输、体育运动器材等领域有广泛的　应用。　主要是在日本。而早在１９７１年，东丽　公司成为世界上ＰＡＮ基碳纤维第一　制造商，从事ＰＡＮ基碳纤维的大型工　业化生产，并将其产品命名为　“ＴＯＲＡＹＣＡ”。目前，东丽已是全球生　产和营销碳纤维的领导者。　在２０世纪８０年代早期，碳纤维作　维总产量的９０％左右。１９７４年，美国　联合碳化物公司开始了高性能中间相　沥青基碳纤维Ｔｈｏ　ｒｎｅｌ—Ｐ５５的研制，　为结构材料开始被广泛地用在客机和　葡盯斟产业Ｎ０．２　２００７　维普资讯 http://www.cqvip.com 航空飞行器，主要是在欧洲和北美。然　中国台湾，美国和日本是高尔夫球棒　的主要消费地，占８０％以上。全世界　４０％的碳纤维高尔夫球棒都是由东　丽公司的碳纤维制成的。全世界碳纤　维钓鱼杆的产量约为每年２０００万副，　这就意味着这种应用对碳纤维有着稳　定的需求。　和机身上使用的复合材料超过了　５０％。波音７８７机型由于减少质量，在　后，人们提高了对碳纤维的认识，开始　把它当成一种高质量的材料，其应用　在２０世纪８０年代中期得到了飞速的　燃料费用节约大约２０％，加上腐蚀等　方面的费用节省更是惊人。据市场研　增长。在２０世纪８０年代中期，欧洲空　客公司开始将ＣＦＲＰ（碳纤维增强塑　究表明，波音和空中客车每年交付使　用客机大约２５０～３５０架。可以预计，　未来碳纤维市场需求潜力非常巨大。　料）作为首要的结构材料应用在它们　的飞机上，而且，随着碳纤维在网球和　新的体育项目器材中的应用，碳纤维　市场得到了稳步的扩展。　网球拍框架的市场容量约为每年　６００万副。其它体育项目器材应用还　包括冰球棍、滑雪杖、射箭和自行车，　同时，碳纤维还应用在划船、赛艇、冲　浪和其它的海洋运动项目器材中。　汽车制造业　碳纤维材料现已成为汽车制造商　青睐的材料，在汽车内外装饰中开始　尽管在１９９１年的海湾战争之后，　航空业的发展曾走向衰退，碳纤维的　需求增长也趋向缓慢，但自２０世纪９Ｏ　年代中期以后，碳纤维工业开始成为　大量采用。碳纤维作为汽车材料，最大　的优点是质量轻、强度大，质量仅相当　于钢材的２０％～３０％，硬度却是钢材　的１　０倍以上。所以汽车制造采用碳纤　航空制造业　２００５年随着新型空中客车Ａ３５０　和波音７８７客机Ｄ　ｒｅａｍ　ｅ　ｒ（也被称　之为７Ｅ７）投产给碳纤维工业产生显　新的需求增长点。尤其是在欧洲和北　美，开始将碳纤维应用于压力容器上，　这种增长非常显著，由于１９９５年的部　维材料可以使汽车的轻量化取得突破　性进展，并带来节省能源的效益。业界　认为，碳纤维在汽车制造领域今后的　著的推进作用。碳纤维复合材料由于　质轻，大约是钢的质量的２０％，依据　纤维等级和方向性，甚至也可以达到　钢材类似的强度。此外，碳纤维还不　分地区地震，加快了抗震加固应用的　需求。未来，预计碳纤维的主要应用领　域将侧重于工业领域，而且这一需求　使用量会越来越大。据悉，福特和保时　捷生产的ＧＴ型赛车发动机机罩已全　部采用碳纤维材料；奔驰的５７Ｓ型轿　将会稳步增加。另外，新一代的航天计　划和与汽车相关的应用都将促进碳纤　维的工业化应用。　目前，全世界主要生产两种碳纤　生锈。由于使用碳纤维材料可以大幅　降低结构质量，因而可显著提高燃料　效率。空中客车Ａ３５０中复合材料用量　已接近总质量４０％。波音７８７的机翼　车原来内装饰全部是木质材料，现在　则以碳纤维替代；通用的雪佛莱轿车　底盘的内装饰材料也采用碳纤维；宝　马公司将Ｍ６型轿车的顶篷全部采用　维：以聚丙烯腈为原料的ＰＡＮ基碳纤　维和由煤、石油基沥青再聚合而成的　沥青基碳纤维。在强度上，ＰＡＮ基碳　纤维优于沥青基的碳纤维，因此其在　全世界的碳纤维生产中占有绝对性优　势。　应用领域　体育器材　目前，各种应用占碳纤维年需求　的比例为：体育应用大约为３０％，航　空应用为１０％，工业应用为６０％。体　育应用中的三项重要应用为高尔夫球　棒、钓鱼杆和网球拍框架。目前，据估　计每年的高尔夫球棒的产量为３４００　万副。按照国家和地区分类，这些高尔　夫球棒主要产地为美国、中国、日本和　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　维普资讯 http://www.cqvip.com ｎ　镪嚣　≯　碳纤维，并进行技术处理，使其保持金　传动轴和燃料箱材料，在未来将有很　好的前景。　　．展市场，从而拓展更多的应用领域。　２００６年，世界碳纤维消费量按地　属材料的光泽。　其他领域　在工业领域，碳纤维的应用也相　区分布为：欧洲占３０％、北美占３５％、　国外产能与市场发展　日本东邦特纳克斯（东邦Ｔｅｎａｘ）　公司的研究报告指出，随着航天航空、　体育休闲和工业应用对碳纤维的需求　大幅度增加，全球碳纤维市场以平均　每年两位数的速度快速增长　，２００６年　全球碳纤维需求达到２　７万ｔ／ａ，　日本占１５％、世界其他地区占２Ｏ％。　美国、欧洲和日本是主要的消费地区，　当广泛，作为材料，它们正在替代金属　和混凝土来满足环境、安全和能源要　但一些国家和地区如中国大陆、中国　台湾地区、印度、孟加拉国和越南也在　推动需求的增长。　求，在工业领域对碳纤维的需求量正　在呈现上升趋势。在土木工程和建筑　领域，应用碳纤维的抗震修复和加强　是一项主要突破，此领域正在得到更　加广泛的推广。在铁路建筑中，大型的　技术与产品开发　国内　（１）高性能原丝制备技术：一种拥　有自主知识产权的低成本、高效率，适　用于制备高性能Ｔ７００碳纤维原丝的　２００４—２００５年全球碳纤维的供给与　顶部系统和隔音墙在未来会有很好的　应用。　需求出现紧张局面。据日本东丽工业　公司估计，２　０　０　６年全球聚丙烯腈　（ＰＡＮ）基碳纤维需求约２．５万ｔ／ａ，由　于航空工业需求的驱动，碳纤维市场　碳纤维的其他应用包括机器部　件、家用电器、微机、及与半导体相关　的设备的复合材料的生产，可以用来　起到加强、防静电和电磁波防护的作　用。另外，在Ｘ射线仪器市场上，碳纤　维的应用可以减少人体在Ｘ射线下的　暴露。随着碳纤维成本的连续降低，和　高品质丙烯腈成纤聚合物原材料纯化　技术，由长春应化所研究成功并通过　年增长率超过１　Ｏ％。　据英国材料技术出版物公司　２００６年底发布的研究报告，碳纤维复　了吉林省科技厅组织的鉴定。专家认　为，该技术整体居于国内领先水平。高　性能原丝制备技术的开发成功可彻底　改变我国碳纤维制备技术落后的不利　局面，对提升我国碳纤维产业发展水　平具有重要意义。　合材料的价值将增长到２０１０年１３６　亿美元，Ｉ；Ｐ＿，２００６年增长３７％。该集团　公司称，由于碳纤维复合材料在航天、　风能、海洋油／气生产、压力容器、军械　和运动器械应用领域增长的驱动，全　球碳纤维工业趋于动　世界范围内的环保要求的提高，碳纤　维开始被广泛应用于汽车领域，将来　它们会被应用做尾部沸腾器、发动机、　（２）航天级高纯粘胶基碳纤维：由　东华大学研制成功的性能稳定、质量　合格的航天级高纯粘胶基碳纤维，填　补了国内空白，而且为国家战略武器　态增长期的平衡状态。　全球碳纤维复合材料　工业现生产２．７万ｔ碳　用碳纤维材料的发展奠定了基础。研　制的粘胶基碳纤维具有高纯度、低密　度、高断裂应变、低热导率和耐烧蚀等　优良特性，是特种防热层材料，其性能　大大超过原碳布路线的产品。过去世　纤维，但２００６—２０１０　年需求将增长７０００ｔ，　增长２６％。为满足这　一需求，世界碳纤维生　产商将在今后３年内　界上只有美国和俄罗斯掌握这一技　术，而东华大学潘鼎教授领衔的课题　组先后攻克了原丝关、工艺关、强度　关、排废关，在原丝质量指标确定、稀　纬带炭化技术、有机和无机混合型催　化体系、连续纯化工艺、空气介质低温　热处理和两段排焦等工艺技术和装置　投资超过８亿美元，使　碳纤维生产能力增加　７８％。新增产能将会　使价格下降，但这将会　刺激碳纤维进入现在　以金属和玻璃纤维增　强塑料（ＧＲＰ）为主的　应用市场，这将为碳纤　维工业提供第二个发　方面取得了一系列原创性成果，解决　了六大关键技术难题，使我国成为世　界上第３个掌握这一技术的国家。　新村斟产业Ｎ０．２　２００７　维普资讯 http://www.cqvip.com ｆ３）碳纤维加固补强织物：由上海　纺织科学院研制的碳纤维加固补强织　物是一种高科技含量的产品，该纤维　据介绍，与传统钢芯铝绞线相比，该碳　纤维复合芯导线具有质量轻、强度大、　耐高温、耐腐蚀、线损低、弛度小、与　环境亲和等优点，可提高传输容量１　倍，减少２０％杆塔数。减少有色金属　消耗，降低传输损耗。该技术推广将有　利于我国构造安全、环保、高效节约型　输电网络。　和纺织与东丽合纤产业集群碳纤维分　科会利用碳素纤维织物与树脂复合携　手开发出“Ｃａ　ｒｂ０　ｎ　Ｃ１０ｔ　ｈ　Ｓ０ｆｔ　采用国外进口高性能碳纤维加工而　成。具有高强高效、耐久耐腐、质量轻　等特点。碳纤维织物具有以下性能：面　Ｃ０ｍＰ０Ｓｉｔｅ”碳素纤维系列产品。今　后，除了日用品、小饰品之外，产品还　将拓展至间隔材料、挂毯、墙壁装饰材　料、百叶窗、窗帘等室内装饰材料领　域。“Ｃ　ａ　ｒ　ｂ　０　ｎ　Ｃ　１　０　ｔ　ｈ　Ｓ　０　ｆ　ｔ　密度３００ｇ／ｍ　，厚Ｊ窨Ｏ．３ｍｍ，弹性模量　２．１　Ｘ　１　０　５　Ｍ　Ｐ　ａ，拉伸强度≥　３３００ＭＰａ，伸长率≥１　６％，质量密度　１　８０ｇ／ｍ。（幅宽３０～１　５０ｃｍ）。补强　国外　（１）碳纤维导电面料：由俄罗斯柴　可夫斯基纺织股份公司开发的碳纤维　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ”布是采用了创和纺织所　的碳素纤维束整齐均一的排列平面织　技术是用配套树脂将碳纤维织　物粘贴于混凝土结构表面。起到　结构补强及抗震加固作用。广泛　造技术，以及碳素纤维分科会　成员平松产业所持的特殊树　脂在碳素纤维织物上的均一　粘合技术。这些技术不仅赋予　用于梁、柱、板、墙等的补强，也　可用于桥梁、隧道水坝等其他土　木工程的加固。　碳素纤维很高的物性，而且赋　予其意匠性。实现了环氧树脂　等坚硬碳素纤维复合材料（硬　质复合材料）所不可能的裁　（４）新型活性杀菌碳纤维：　中国台湾地区逢甲大学材料科　学研究所成功研发出一种具有　杀菌效果的新型活性碳纤维。经　测试发现，使用一层这种纤维布　可以百分之百地过滤和抵挡绿　脓杆菌和大肠杆菌，对肺炎杆菌　的减茵率在９９．９９％以上，放置　一剪、缝纫，可与普通的布料和　皮革同样使用，用途非常广　泛。　（３）碳纤维增强聚合物机　器人：韩国高科技协会用极硬　的碳纤维增强聚合物制成机　器人，其质量极轻，可用来制　年后，杀菌效果依然不减。逢　甲大学科学家指出，以前的活性　造第五代液晶显示器。第五代　液晶显示器厚度只有０　７ｍｍ，　碳纤维布是让细菌吸附固定在　纤维上，经过几个小时，碳纤维　便能发挥抑茵效果。新一代活性碳纤　导电面料，可用于食品医药业、建筑交　通业、石化天然气行业的劳动防护。该　公司最近开发出两种新型含碳丝导电　所以用目前的机器人难以操　作。而这种新型机器人能够操作，但需　维布的化学特性可以让细菌如同踩到　地雷瞬间被杀死。新活性碳纤维布的　独特之处还在于可以重复清洗１　Ｏ０次　以上，寿命长达３～５年，用来做口罩，　比用过即丢的Ｎ９５口罩更好。这种纤　一要在洁净的无人工作间作业，以免染　上尘埃。除了生产第五代液晶显示器　外，这种新型机器人还可用于半导体、　多媒体、医药和食品等领域。韩国制造　商说，由于该机器人质量好，预期海外　面料，这两种面料分别是“弗尼克斯一　热防护”和“弗尼克斯一一舒适”，　前者成分５０％为棉，５０％为耐热化　纤，每米质量为３３０ｇ；后者为棉涤面　维布对其他细菌的抑制和杀灭功能尚　市场需求将增加，并会对日本机器人　和零部件出口带来一定影响。　待测试。据悉，目前全球仅日本、俄罗　斯、英国、中国大陆及台湾地区等拥有　活性碳纤维的制造技术。　料，每米质量为２８０ｇ。这两种面料专　用于石油、天然气行业工作服，因而加　入了碳纤维作为导电纤维，而国际上　同类产品通常加入金属丝作为导电纤　维。　对我国碳纤维产业发展的建议　目前我国高性能碳纤维无论在质　量上还是数量上与国外相比还有一定　（５）新型碳纤维复合芯导线：江苏　远东集团和美国一家高科技公司联合　开发出一种新型碳纤维复合芯导线，　（２）碳纤维软质复合材料：日本创　差距，远远满足不了需求。为此，尽快　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　维普资讯 http://www.cqvip.com ｎｓｉｇｈｔ　“　透顽　研究和发展我国自己的高性能碳纤维　化高强度碳纤维的发展趋势之一是单　丝直径较细。直径越细，包含大缺陷的　几率越少，尺寸效应就越显著。均质化　维的缺陷产生可大致分为两类：一类　材料已迫在眉睫。碳纤维是一门多学　科交叉、多技术集成的系统工程，质量　的提升涉及到方方面面。建议可从以　是先天性缺陷，由ＰＡＮ原丝“遗传”给　碳纤维；第二类是后天性缺陷，在预氧　化、碳化等一系列后处理过程中产生。　主要是纤维横截面由表及里结构均　匀，性能一致。这就要求ＰＡＮ原丝、预　氧化纤维和碳纤维无明显的皮芯结　构。纤维的皮芯结构易在凝固成纤过　程或预氧化热处理过程产生，最佳工　艺条件的选择则十分重要。细晶化对　下几个方面优先考虑。　提高ｐＡＮ原丝质量　ＰＡＮ原丝不仅影响碳纤维的质　量，而且影响其产量和生产成本。换言　从缺陷在碳纤维中所处的位置又可分　为表面缺陷和内部缺陷两大类，而表　面缺陷占缺陷总数的９０％左右。对拉　伸强度的影响要比内部缺陷大得多。　所以，在生产碳纤维全过程中（从聚合　之，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。对于现代碳纤维生产　于脆性材料，缺陷大小与微晶尺寸视　为同一数量级。细晶化有利于对缺陷　的控制和碳纤维抗拉强度的提高，特　别是压缩强度的提高。细晶化应从聚　合开始，贯穿于生产碳纤维的全过程。　开始到碳纤维收丝）都要关注缺陷的　产生和演变以及控制缺陷的技术措　施，其中包括油剂质量和上油剂工艺。　这也是提高碳纤维拉伸强度的主要途　径。碳纤维的理论强度为１８０ＧＰａ，目　前世界上强度最高的碳纤维Ｔ１　０００　（日本东丽公司）的拉伸强度也仅是理　论值的３．９％，而国产碳纤维的拉伸强　度则更低，所以提高碳纤维的拉伸强　线，要求喂入丝束数在１００以上，且高　速运行；如果原丝质量低劣、彼此性能　差异较大，易在生产过程中产生毛丝　缠结，甚至发生断丝，很难稳定生产，　扩大生产线规模　除ＰＡＮ原丝质量外，扩大生产规　模也是降低成本的有效途径。国外一　条碳纤维生产线的年生产能力在　２００ｔ以上，而我国至今还没有一条百　ｔ级碳纤维生产线，这也是我国工程化　开发的差距之一。为了降低生产成本，　国外大丝束碳纤维（４８～４８０Ｋ）发展　很快，形成了与小丝束（１～２４Ｋ）碳　纤维竞争市场的格局。　而国内目前还没有正　式的大丝束ＰＡＮ原丝　这样必然加大原丝的损耗。对于质量　好的ＰＡＮ原丝。用２．０ｋｇ以下的原丝　可生产出１　ｋｇ碳纤维；而质量差的原　丝，则需２．５ｋｇ，甚至更高，这必然加　大生产成本，而原丝成本占碳纤维生　产成本的５０％～６５％。所以。ＰＡＮ原　丝质量不仅可左右碳纤维的性能。而　且也制约着碳纤维的生产成本和市场　度有很大的潜力和空间。　随着我国经济的快速发展，国内　碳纤维的需求与日俱增，而加强技术　创新是我国碳纤维加快发展实现产业　化的关键。口娥毋　竞争力。　研制高纯度原丝　研制高纯度原丝可把先天性缺陷　降低到最小程度，大量检测表明，国产　生产厂家，也就没有大　丝束碳纤维生产装置　原丝和碳纤维所含碱、碱土金属和铁　的含量比国外大得多。碱、碱土金属和　铁的存在不仅影响聚合和纺丝的性能　稳定性，而且在高温碳化过程中逸走　与技术。　增强拉伸强度　碳纤维是由有机　ＰＡＮ纤维经过一系列　热处理转化而来的。碳　而残留下孔隙，所以，聚合所用原料要　纯，纺丝空间应洁净化，所用设备应耐　腐蚀。　另外，原丝高强化经测试和有关　纤维属于脆性材料，拉　伸强度等性能受控于　各类缺陷。因此，在一　定意义上来讲，提高碳　资料表明，我国ＰＡＮ原丝强度（力）比　较低，而国外ＰＡＮ原丝强度（力）一般　在６　０ｇ／ｄ以上。在一定范围内，碳纤维　纤维的拉伸强度等性　能就是采取技术措施　减少缺陷数目、减小缺　陷尺寸的过程。从碳纤　的拉伸强度随着原丝强力的提高而提　高，而提高原丝强力的技术措施之一　是相应提高ＰＡＮ树脂的分子量。细旦　新盯斟产业ＮＯ．２　２００７