碳纖維的生產(chǎn)及應用現(xiàn)狀

1、FiberTechnology 作者簡介:丁新波,男,1980年生,碩士在讀,上海,200051碳纖維的生產(chǎn)及應用現(xiàn)狀教育部重點實驗室丁新波晏雄0引言復合材料,特別是纖維增強復合材料(FRP ,大致 可以分為 2類:一類是玻璃纖維復合材料(GFRP,俗稱 玻璃鋼 ;另一類是碳纖維復合材料(CFRP 。碳纖維復 合材料與硼纖維、 Kevlar纖維、 碳化硅纖維和氧化鋁纖維 的復合材料統(tǒng)稱為先進復合材料。 碳纖維是具有高強、 高 模、低伸長、高耐磨以及導電性能的新型纖維,它可直 接用作耐蝕性氣體的濾材和液體的高溫濾材、高溫絕緣 材料、催化劑載體、靜電消除器等,它比同等重量的其 它材料具有更高的強度

2、 1。 目前,絕大多數(shù)碳纖維以復合材料的形式出現(xiàn),如 碳纖維增強塑料(CFRP 、碳纖維增強橡膠(CFRR 、碳 纖維增強碳基復合材料、碳纖維增強金屬復合材料 (CFRM 、碳纖維增強陶瓷(CFRC 、碳纖維增強紙等。 隨著科技的發(fā)展,應用領域與日俱增,它們除了廣泛應 用于航空航天等高技術領域,還可用在文體用品、紡織 機械、 醫(yī)療器械、 生物工程、 建筑材料、 化工機械、 運輸 車輛等方面。 此外, 在開發(fā)不用潤滑油的軸承、 齒輪、 軸 瓦、轉軸、提升輪等運動頻繁、負荷大的零件方面有很 好的前景 2。1國外碳纖維的發(fā)展目前世界各國發(fā)展的主要是 PAN 基碳纖維和瀝青基 碳纖維。 國外 PAN基

3、碳纖維的研究與開發(fā)開始于 20世紀 60年代。 起初, 碳纖維主要用于軍工和宇航, 經(jīng)過 40余 年的發(fā)展,其應用領域正在向工業(yè)領域和普通民用領域 擴大 3。世界 PAN 基碳纖維生產(chǎn)廠商主要有日本 Toray(東麗 、 Toho (東邦 、 MitsubishiRayon (三菱人造絲 ,美國Hexcel (赫克塞爾 、 Amoco (阿莫科 和Zoltek (卓 爾泰克等公司。瀝青基碳纖維主要生產(chǎn)廠商有日本 MitsubishiChem (三菱化學 、 Kureha (吳羽 、 Donac 與美國 Amoco 公司。在小絲束碳纖維 (3 K ,6 K 和 12 K 方面, Toray、 T

4、oho與MitsubishiRayon等3家公司已形成壟斷, 其產(chǎn)能 分別達到9100、 5600和4700t/a, 占世界總產(chǎn)能的 31.6%、 19.5%和16.3%。大絲束碳纖維的主要生產(chǎn)國是美國、 德國與日本, 產(chǎn) 能情況如表 1所示 4,其產(chǎn)量大約是小絲束碳纖維產(chǎn)量 的 33%左右。近年來,大絲束碳纖維獲得飛速發(fā)展,世界上過去不生產(chǎn)大絲束碳纖維的一些碳纖維生產(chǎn)廠也紛紛打算生 產(chǎn)大絲束碳纖維或已開始生產(chǎn)大絲束碳纖維,最典型的 當推Toray公司 ; 同時, 國外已經(jīng)通過利用與電磁輻射有 關的等離子技術由完全和部分穩(wěn)定的碳纖維原絲來生產(chǎn) 碳纖維;并且把納米技術也應用在碳纖維上,研制出納

5、米碳纖維, CarbonNanotechnologiesInc. (Houston, TX 、 Materials&ElectrochemicalResearchCorp. (Tucson, AZ 和日本MitsubushiChem與Toray等計劃大規(guī)模生產(chǎn)納米美國德國 日本 總計表1 世界大絲束碳纖維產(chǎn)能情況t/a生產(chǎn)商AKZO-Fortafil (阿克蘇 福塔菲爾Zoltek Aldila (阿爾迪拉 SGL(愛斯奇愛爾Toray產(chǎn)能 35001800100019003009500碳纖維 5。2我國碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀從20世紀70年代中期開始, 經(jīng)過30余年的發(fā)展, 我 國碳纖維從無

6、到有, 從研制到生產(chǎn)取得了一定的成績, 但 總的來說,我國碳纖維的研制與生產(chǎn)水平還較低,目前 僅相當于國外 20世紀 70年代中、末期水平 6。 2.1PAN 基碳纖維我國 PAN 基碳纖維的開發(fā)研制已有30多年歷史。 20世紀 60年代初, 吉林應用化學研究所已著手于 PAN基碳 纖維的研究,70年代初已完成連續(xù)化中試裝置。 其后, 上海合成纖維研究所、中國科學院山西煤化所等單位也 開展研制工作, 并于 80年代中期通過了中試。 我國碳纖 維生產(chǎn)先后建成了從年產(chǎn)幾百千克到年產(chǎn)幾噸的小試裝 置和幾十噸的中試生產(chǎn)裝置,起步不晚,但發(fā)展緩慢,總生產(chǎn)能力還不及發(fā)達國家或地區(qū)的一家公司 7-8(表 2

7、 。2002年國內(nèi)PAN基碳纖維需求量約為2235t, 其中體育休閑領域需求量為1935t, 占87%; 一般產(chǎn)業(yè)需 求量為250t, 占11%; 軍工領域需求量為50t, 僅占 2%7。2003年 3月 10日,英國 AMEC/ACE(艾麥 克公司與中國安徽華皖碳纖維有限公司關于年產(chǎn)量分別為 PAN原絲500t、 碳纖維200t (均以12 K 計算的 技術轉讓合同在上海正式簽約, 預期2005年初本項目投 產(chǎn),這將極大地推動我國碳纖維的發(fā)展。2.2瀝青基碳纖維世界瀝青基碳纖維的生產(chǎn)能力較小,國內(nèi)瀝青基碳 纖維的研究和開發(fā)較早,但在開發(fā)、生產(chǎn)及應用方面與 國外相比有較大的差距(表 3 。 2

8、0世紀70年代初, 上海焦化廠以煤焦油為原料成功 地制取了碳纖維,但因試驗結果不穩(wěn)定,產(chǎn)品質量不高 而中止。 1979年, 中國科學院山西煤化所開始研制瀝青 基碳纖維,1985年通過小試 2。 在此基礎上, 冶金部在 煙臺籌建了新材料研究所,生產(chǎn)通用級瀝青碳纖維,規(guī)模70100t/a, 主要做飛機的剎車片。 90年代初擴大到150t/a。 但由于設備未過關, 又無改造資金, 處于停 產(chǎn)狀態(tài)。 鞍山東亞精細化工有限公司投資1.2億元人民幣 于90年代初從美國Ashland (阿什蘭德 石油公司引進了 全套生產(chǎn)設備, 生產(chǎn)能力為200t/a, 1994年動工建設, 1995年投產(chǎn)。 近年來,我國碳

9、纖維的產(chǎn)量雖有增加, 但 與不斷增長的需求相比仍有較大的差距。我國瀝青基碳纖維與 PAN 基碳纖維相比發(fā)展較慢, 但由于生產(chǎn)成本較低, 價格約為PAN基碳纖維的1/31/4, 因此瀝青基碳纖維在民用及建筑領域的應用前景 較為廣闊,這將為我國瀝青基碳纖維的發(fā)展提供良好的 機遇。3國產(chǎn)碳纖維存在的主要問題我國碳纖維雖然經(jīng)過了一段時期的發(fā)展,但是與國 外的技術水平還存在一定的差距和一些在競爭中不容忽 視的問題,主要有以下幾個方面。1 原絲質量與國外比還存在差距 10。 由于國產(chǎn)碳原 絲在生產(chǎn)過程中大部分采用民用腈綸原液,雜質含量較 高,造成碳纖維性能不穩(wěn)定,離散系數(shù)較大。2 大部分國產(chǎn)碳纖維未經(jīng)過表

10、面處理, 制成復合材料層間剪切強度偏低 1。 沒有經(jīng)過表面處理的國產(chǎn)碳纖維不能用作高性能要求的先進復合材料增強體,也不能 在航空、 航天等國防部門中用來制作主承力構件。3 尚未形成經(jīng)濟規(guī)模, 價格太貴, 成本組成不合理。 國產(chǎn)碳纖維目前售價太高, 遠比國外進口的價格要高。 我 國碳纖維之所以價格昂貴,有很多不合理因素。如成本 結構存在問題,據(jù)我國某碳纖維廠對碳纖維成本的粗略 統(tǒng)計, 原絲費用約占碳纖維成本的 25%, 而車間費用約 占碳纖維成本的 44%。4 品種單一、 規(guī)格單一, 碳纖維來源大部分依賴于 進口 1,10。根據(jù)不同行業(yè)、不同產(chǎn)品、不同零部件的不 同需求,希望能采用不同類別、不同

11、品種、不同規(guī)格的 碳纖維。除了供結構材料使用的碳纖維,還希望有供功國家或公司 中國DonacKurehaNiffoboNipponAmocoMitsubishiChemNipponSekiyu DonacKureha表320022004年世界瀝青基碳纖維的生產(chǎn)廠家及產(chǎn)能2, 9產(chǎn)能/(t a -1 450300900開發(fā)中 開發(fā)中 140 23050050開發(fā)中 開發(fā)中 品種通用型碳纖維 高性能碳纖維 強度/MPa 686686590 980657 980784 9801300 24001800 33003230 33001800 30001800 4000模量/GPa413430 3340

12、4939 49170 960176 735392 686140 600150 400日本 日本 日本 美國 英國 中國臺灣 美國 美國 美國 德國表2世界各大PAN基碳纖維公司20022004年的產(chǎn)能生產(chǎn)公司Toray TohoMitsubishi R ayonHexcel Amoco臺灣工程塑料公司 AKZO-FortafilZoltek Aldila S G L生產(chǎn)能力 9100(小絲束 5600(小絲束 4700(小絲束 2000(小絲束 1900(小絲束 1750(小絲束 3500(大絲束 1800(大絲束 1000(大絲束 1900(大絲束t/a能材料使用的碳纖維, 而我國目前碳纖維

13、只有相當于T 300的一個品種。4碳纖維的應用狀況碳纖維具有高強度、 高模量、 耐高溫、 耐腐蝕、 耐疲 勞、抗蠕變、導電、傳熱等特性,屬典型的高新技術產(chǎn) 品,表 4是幾種碳纖維材料的性能比較 9。主要用于制 備先進復合材料(ACM ,已廣泛應用于宇航、體育用品 領域、工業(yè)領域、交通運輸領域及土木建筑領域。鑒于 近年軍事工業(yè)上應用的萎縮、碳纖維成本的降低及先進 低成本制造復合材料技術的突破,碳纖維復合材料在建 筑、工業(yè)、交通運輸?shù)确矫娴膽帽愠蔀檠芯块_發(fā)的熱 點, 并取得了一定的突破性進展 10-11。4.1宇航領域在宇航領域, 由于其重量輕, 剛性、 尺寸穩(wěn)定性和導 熱性好,高模量碳纖維很早

14、便應用于人造衛(wèi)星中。碳纖 維在宇航上的應用主要在固體火箭發(fā)動機殼體和噴管上。 2002年, 在宇航領域中碳纖維的需求量大約是4000t, 其應用分布 :北美為2500t, 高達62.5%; 歐洲和亞洲 分別為1260t和240t, 分別占26.1%和4.2%。4.2土木建筑領域隨著碳纖維成本的降低與復合材料制造技術的發(fā)展, 土木建筑領域成為碳纖維復合材料應用的新市場。利用 碳纖維復合材料棒材替代元鋼,利用碳纖維復合材料層 板加固或修復橋梁及建筑物,及利用碳纖維增強混凝土 等將會有很大的發(fā)展。目前在土木建筑領域的應用主要 是:復合材料棒材、纖維增強膠接層板、碳纖維增強混 凝土、碳纖維復合材料片等

15、。4.3工業(yè)領域近幾年來碳纖維在宇航領域中應用萎縮,在工業(yè)應 用的市場不斷看好。與宇航和體育休閑用品相比,工業(yè) 應用對于碳纖維的需求在不斷增長。基礎設施、油氣開 采、壓力容器、復合材料輥子、航海構件等應用不斷開 發(fā),使碳纖維在這個領域的應用持續(xù)增長。歐洲和日本 在這方面的開發(fā)處于領先地位,因此,用于工業(yè)應用碳 纖維的需求量歐洲最大,亞洲其次。據(jù)報導,制備注射 和模壓用的粒料消耗的碳纖維高達2700t, 主要用于生 產(chǎn)手機、計算機、辦公設施等,在電磁屏蔽和靜電消散 方面的應用也不斷增長。4.4交通運輸領域在交通領域,碳纖維擴大應用的最大希望在于汽車 業(yè)。國外的各大主要汽車廠家,均競相開發(fā) CFR

16、P(碳纖 維復合材料化的節(jié)能、環(huán)保和安全性汽車。新一代的 汽車要求大大地降低能耗,最重要的措施之一就是減輕 汽車質量,用一般鋼材是不可能實現(xiàn)的,因此采用復合 材料是最有效的辦法。設計表明,一輛典型小車的碳纖 維用量可以超過113kg。 在這一領域僅僅為了滿足北美 的需求,碳纖維的需求量就達現(xiàn)有世界碳纖維總生產(chǎn)能 力的100倍。 因此碳纖維復合材料用作汽車材料, 將具有 廣闊的發(fā)展前景 10。 目前碳纖維復合材料已獲得應用或 正在研究開發(fā)應用的領域主要包括:飛輪、壓縮天然氣 貯罐、 燃氣透平部件、 剎車裝置, 其它部件如蓄電池、 活 塞、 傳動軸、 彈翼、 大梁等。 在載重汽車上使用碳纖維復 合

17、材料后, 每輛可降低質量 200kg左右 11。4.5能源領域目前, 電阻率在10-310-2 cm的碳纖維紙屬 高性能碳纖維紙,通常稱之高導電率碳纖維紙,在新能 源和電化學領域正在廣泛推廣應用 12。 科學家經(jīng)過多種 探索, 確認高性能碳纖維紙能滿足綠色能源 燃料電 池的要求,而且和原碳材料電極相比,還有體積小、質 量輕、效率高等優(yōu)點?，F(xiàn)在,用高性能碳纖維紙制作質 子交換膜燃料電池(PEMFC的氣體擴散層電極 材料,已經(jīng)得到各燃料電池制造商的認同,從而得到很 快發(fā)展。 能源和貯能方面, 像風力發(fā)電葉片、 飛輪、 電池 等應用也不斷擴大。4.6體育休閑領域亞洲用于生產(chǎn)體育休閑用品碳纖維的消耗量

18、是世界 上最高的。 2002年在體育休閑用品的4990t碳纖維中, 亞洲占首位達3100t, 占62.2%; 其次是北美, 為1120 t, 占22.4%; 歐洲最少, 為770t, 占15.4%13。 在亞 洲特別是中國(包括臺灣省正越來越多地生產(chǎn)管狀復 合材料件, 像高爾夫球桿和網(wǎng)球拍等, 其它還包括箭桿、 釣魚竿、自行車架、船槳、滑雪工具、棒球棒、公路賽 車、競技墻等體育用品。5結語1 制訂我國碳纖維發(fā)展的總體規(guī)劃, 考慮國內(nèi)研制 與國外引進相結合。碳纖維是一種可以形成龐大產(chǎn)業(yè)帶 的基礎產(chǎn)品,并隨其成本的降低而在金屬、陶瓷、玻纖IM6 IM7 IM8 IM9 P30 T700 T800 T1000表4幾種碳纖維材料性能比較拉伸強度/MPa52005379544763434000480054907060拉伸模量/GPa276276303290210230294密度/(g cm -31.701.801.702.001.761.801.80比模量/(109 cm1