碳纖維工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

碳纖維工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

碳是指含有超過90%的碳元素的纖維材料。它是利用各種有機(jī)纖維在惰性氣體中、高溫狀態(tài)下碳化制得的。碳纖維具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能,同時(shí)兼具其他多種優(yōu)良性能如低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、電及熱傳導(dǎo)性高、熱膨脹系數(shù)低、光穿透性高、非磁體但有電磁屏蔽性等性能。碳纖維按工業(yè)化生產(chǎn)原料路線可分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類。從粘膠纖維、瀝青制取碳纖維技術(shù)難度大,設(shè)備復(fù)雜,產(chǎn)品成本較高未得到大規(guī)模發(fā)展。由聚丙烯腈纖維原絲可制得高性能的碳纖維,其生產(chǎn)工藝較其他方法簡(jiǎn)單,且產(chǎn)品的力學(xué)性能優(yōu)良,用途廣泛。因而自碳纖維問世以來取得了長足的發(fā)展,成為當(dāng)今碳纖維工業(yè)生產(chǎn)的主流。根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格的不同聚丙烯腈(PAN)基碳纖維分兩大類,即小絲束碳纖維(CT)和大絲束碳纖維(LT)。通常把48K以上碳纖維稱為大絲束碳纖維,包括48K、60K、120K、360K和480K等;小絲束碳纖維初期以1K、3K、6K為主,后來逐漸發(fā)展到12K和24K,主要應(yīng)用于國防軍工產(chǎn)品及體育休閑用品。1關(guān)于碳硅慶祝1.1世界碳纖維生產(chǎn)情況目前世界碳纖維生產(chǎn)和技術(shù)主要集中在日本、美國等少數(shù)幾個(gè)國家,其中日本占全球產(chǎn)能的50%以上,美國占全球產(chǎn)能的27.5%。圖1列出了2009年世界主要公司的碳纖維產(chǎn)能分布。初步統(tǒng)計(jì)2009年小絲束生產(chǎn)能力56415t,大絲束生產(chǎn)能力24500t,總計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)到80915t。圖2列出了大、小絲束碳纖維產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)表。表1是近幾年世界碳纖維的主要應(yīng)用領(lǐng)域分布,2008年工業(yè)領(lǐng)域、航空航天、體育休閑三大領(lǐng)域的應(yīng)用量比為56∶30∶14。1.2主要依賴進(jìn)口國內(nèi)自20世紀(jì)60年代開始碳纖維研究開發(fā),進(jìn)展一直很緩慢,但“十五”以來我國碳纖維產(chǎn)業(yè)得到了空前的發(fā)展,在低等級(jí)碳纖維方面取得了突破,形成了的碳纖維沒能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),主要依賴進(jìn)口。國內(nèi)從事碳纖維研發(fā)與生產(chǎn)的單位有20多家,分布在全國十多個(gè)省市,據(jù)統(tǒng)計(jì)2009年國內(nèi)的產(chǎn)量在1320t。由于近年投資熱情高漲,到2010年國內(nèi)包括在建產(chǎn)能大約1.2萬t,其中大部分為在建和擬建部分,如表2所示。目前國內(nèi)生產(chǎn)的碳纖維主要應(yīng)用于體育休閑領(lǐng)域占60%以上,而航空航天、工業(yè)等領(lǐng)域用量還比較少(見表3)。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì),2010年碳纖維及制品進(jìn)口量為10966t,體育休閑占進(jìn)口量的64.5%,工業(yè)領(lǐng)域占進(jìn)口量的20.9%,而航空航天只占進(jìn)口量的0.6%。增幅較大的是風(fēng)力發(fā)電葉片、氣瓶、船艇、機(jī)械配件等。1.3關(guān)于碳應(yīng)用的領(lǐng)域碳纖維主要應(yīng)用在工業(yè)、體育用品、航空航天等方面,而風(fēng)能、航空航天和建筑加固領(lǐng)域是今后最有發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用領(lǐng)域。1.3.1風(fēng)力發(fā)電材料鑒于全球能源緊缺的影響及人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高,開始把眼光投向風(fēng)力發(fā)電。每生產(chǎn)1千瓦時(shí)風(fēng)電較火力發(fā)電少排放約600g二氧化碳,因此風(fēng)力發(fā)電越來越受到世界各國的重視,已成為人類開發(fā)新能源的重要領(lǐng)域。在2010年,全球風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)199520MW,發(fā)電量超過4099億kW·h,占世界電力總發(fā)電量的1.92%。2010年中國風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)到18928MW,比2009年提高了37.7%,占全球新增裝機(jī)容量48%,超過美國成為世界第一大風(fēng)電市場(chǎng)。如何提高發(fā)電效率,以獲得更大的風(fēng)能,一直是風(fēng)力發(fā)電追求的目標(biāo)。捕風(fēng)能力的提高與葉片的形狀、長度和面積有著密切的關(guān)系,葉片尺寸的大小則主要依賴于制造葉片的材料。葉片的材料越輕、強(qiáng)度和剛度越高,葉片抵御載荷的能力就越強(qiáng),葉片就可以做得越大,它的捕風(fēng)能力也就越強(qiáng)。過去,人們大量使用玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)制造葉片。隨著超大型葉片的出現(xiàn),葉片長度不斷增加,葉片對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能也提出了新的要求,玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足,因而輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好的碳纖維復(fù)合材料就成為了目前大型風(fēng)力發(fā)電葉片的首選材料。據(jù)分析,采用CF/GFRP混雜增強(qiáng)的方案,葉片可減重20%~40%。國內(nèi)正在研發(fā)于2MW以上的風(fēng)力發(fā)電葉片上使用碳纖維復(fù)合材料。1.3.2其他新型材料碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高,耐疲勞和尺寸穩(wěn)定性好等系列優(yōu)點(diǎn),是新一代武器裝備發(fā)展的基礎(chǔ)材料,被廣泛用作飛機(jī)和飛船的結(jié)構(gòu)材料。例如,飛機(jī)的主翼、尾翼和機(jī)體一次構(gòu)造材料;副翼、方向舵、升降舵、內(nèi)裝材料、地板材、桁梁、剎車片等二次構(gòu)造材料,以及直升飛機(jī)的葉片;火箭的排氣錐體、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋等;人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線、運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈殼體等。從民用飛機(jī)發(fā)展來看,美國波音公司B707上沒有采用復(fù)合材料,757先進(jìn)復(fù)合材料的用量為3%~4%,B767達(dá)到4%~5%,B777則達(dá)到10%~11%。歐洲空中客車公司的復(fù)合材料用量比美國波音公司的高,A300-600達(dá)5%~6%,A310接近10%;到A321、A330和A340的先進(jìn)復(fù)合材料用量都增長到13%~公司大力開展先進(jìn)復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用研究,取得了很大成績,如B787先進(jìn)復(fù)合材料的用量高達(dá)50%。同期歐洲空中客車公司大型客機(jī)A380上先進(jìn)復(fù)合材料的用量也在25%左右。1.3.3纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在防水建筑加固中的應(yīng)用目前對(duì)工程建筑的要求越來越高,在有些條件下傳統(tǒng)建筑材料很難滿足這種發(fā)展要求,混凝土材料建筑物在20~30年就必須進(jìn)行大修或維修加固。此外,隨著國家抗震要求和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的提高,許多地區(qū)的現(xiàn)有建筑不能滿足新設(shè)防的抗震要求,需要進(jìn)行加固或重建。在歐美發(fā)達(dá)國家中,目前用于建筑加固改造的投資已占國家建筑業(yè)總投資的1/2以上。由于土建結(jié)構(gòu)常用的幾種傳統(tǒng)加固方法存在某些局限性,使得它們不能滿足一些耐久性和美觀方面的需求,或受到施工條件制約而無法實(shí)施。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋼材,比模量大多數(shù)也高于鋼材。這一優(yōu)良的力學(xué)性能使其作為土木工程結(jié)構(gòu)加固和修補(bǔ)材料在日本、美國、歐洲等國家和地區(qū)得到了大量的推廣應(yīng)用。碳纖維材料具有與鋼材相當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ?同時(shí)表現(xiàn)出比普通鋼材高十倍的抗拉強(qiáng)度,其耐腐蝕性能和耐久性能也很優(yōu)異。因此用碳纖維補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)不需要增加螺栓和鉚釘固定,抗蝕和耐久性能也很優(yōu)異,對(duì)原混凝土結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小,施工工藝簡(jiǎn)便。2碳纖維的未來自2004年隨著碳纖維在汽車應(yīng)用上的起步、飛機(jī)應(yīng)用及風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的擴(kuò)大,碳纖維的需求快速增加,使全球碳纖維供應(yīng)呈嚴(yán)重短缺現(xiàn)象,促使世界各國碳纖維生產(chǎn)廠家紛紛加大資金投入、擴(kuò)大產(chǎn)能,碳纖維的生產(chǎn)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。由于全球?qū)μ祭w維需求的持續(xù)增長,預(yù)計(jì)未來碳纖維還將以超過10%年增長率速度持續(xù)增長。隨著碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域不斷細(xì)化升級(jí)的要求,碳纖維的應(yīng)用進(jìn)入了“量體裁衣”時(shí)代。要求其性能不斷提高完善,產(chǎn)品規(guī)格和品種呈多樣化發(fā)展。如日本東麗公司的小絲束碳纖維品牌就有20多個(gè),使用最為廣泛的T300碳纖維的抗拉強(qiáng)度從進(jìn)入市場(chǎng)之初的大約3000MPa,逐步提高到今天的3800MPa。碳纖維的質(zhì)量穩(wěn)定性也需要不斷改進(jìn),抗拉強(qiáng)拉彈性模量的離散系數(shù)從4%降到目前的1%。因此未來碳纖維技術(shù)指標(biāo)的逐步升級(jí)及產(chǎn)品系列化發(fā)展是其未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、設(shè)計(jì)性好、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好、抗疲勞斷裂性好和可大面積整體成型,以及特殊的電磁性能和吸波隱身的特點(diǎn),可大量用于生產(chǎn)軍用、民用飛機(jī)及戰(zhàn)略導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭上,因此碳纖維復(fù)合材料的需求量穩(wěn)步增長。3國內(nèi)外碳發(fā)展的差距與建議3.1我國碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀盡管我國從20世紀(jì)60年代后期就開始PAN基碳纖維研究工作,且與國外開始的時(shí)間相差不遠(yuǎn);但由于在原絲與碳化的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備上一直未能取得突破,特別是PAN原絲技術(shù)停滯不前,因此與世界上碳纖維生產(chǎn)先進(jìn)水平的國家相比,在數(shù)量和質(zhì)量上差距越拉越大。其主要表現(xiàn)有以下四個(gè)方面:(1)數(shù)量和規(guī)模均低于國外水平。國內(nèi)碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀與當(dāng)代碳纖維的發(fā)展速度極不相稱,既滿足不了高水平的軍工需要,也無法滿足對(duì)通用級(jí)民用碳纖維的需要。國外單線規(guī)模已經(jīng)達(dá)到數(shù)千噸,國內(nèi)大部分還是數(shù)百噸,甚至數(shù)十噸。(2)國產(chǎn)原絲性能差。國內(nèi)碳纖維原絲只能達(dá)到相當(dāng)于東麗T300指標(biāo)的PAN基碳纖維水平,而東麗已有大于T1000的商品問世。國外如日本T300碳纖維正逐步被T700碳纖維取代,生產(chǎn)這種規(guī)格的原絲需求越來越大,而國內(nèi)尚未研制出產(chǎn)業(yè)化的這種原絲。(3)應(yīng)用研究和市場(chǎng)開發(fā)滯后。國內(nèi)碳纖維的應(yīng)用研究和市場(chǎng)開發(fā)基本空白,產(chǎn)品單一,規(guī)格、品種少,僅有小絲束原絲;而大絲束原絲是空白,制約了碳纖維的最終品種和應(yīng)用,無法適應(yīng)快速增長的市場(chǎng)需求。(4)生產(chǎn)裝備的技術(shù)水平低。國內(nèi)生產(chǎn)碳纖維的裝備自動(dòng)化水平低,無法保證質(zhì)量的穩(wěn)定性;且絕大部分裝備沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),大大影響了產(chǎn)品進(jìn)入國際市場(chǎng)。3.2關(guān)于中國碳發(fā)展的建議3.2.1引進(jìn)技術(shù),自主創(chuàng)新相結(jié)合碳纖維生產(chǎn)工藝流程長和技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)多,是多學(xué)科、多技術(shù)的集成。發(fā)展我國的碳纖維工業(yè),當(dāng)前必須解決工程化問題?？刹捎脤?duì)引進(jìn)技術(shù)消化吸收與自主創(chuàng)新相結(jié)合辦法,盡快實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn)。在此過程中首先必須要提高原絲質(zhì)量,只有高質(zhì)量的原絲才能生產(chǎn)出高性能碳纖維,才能穩(wěn)定生產(chǎn),提高產(chǎn)量,降低成本。由生產(chǎn)1K、3K原絲轉(zhuǎn)向生產(chǎn)6K、12K或24K原絲工業(yè)化技術(shù)研究,同時(shí)需要加強(qiáng)預(yù)氧化、碳化及表面處理工程技術(shù)的研究開發(fā)。3.2.2條龍、龍、民所參與的碳纖維研究模式碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn)具有涉及學(xué)科多、流程長、工藝復(fù)雜、管理水平要求高的特點(diǎn),特別是用于軍工產(chǎn)品的材料需經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),質(zhì)量要求高,定型周期長。在軍用航空航天等領(lǐng)域,應(yīng)采用國防科工委“一條龍”模式,即由碳纖維的最終用戶(如航空、航天等軍工部門)牽頭,采取行政或市場(chǎng)手段組織科研、工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和碳纖維生產(chǎn)等單位及相關(guān)部門參加,協(xié)同開展碳纖維的基礎(chǔ)研究,工程化研究及相關(guān)配套研究?！耙粭l龍”模式以需求為導(dǎo)向,能夠明確碳纖維研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化活動(dòng)的發(fā)展目標(biāo)、任務(wù)及各相關(guān)主體的責(zé)任,解決政府部門多頭管理及科研、設(shè)備制造、生產(chǎn)、用戶之間彼此脫節(jié)的問題,有利于建立有效的約束激勵(lì)機(jī)制,推進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)程。在民用領(lǐng)域要鼓勵(lì)碳纖維的研發(fā)、生產(chǎn)和下游應(yīng)用的緊密結(jié)合,并形成共同投資、共同發(fā)展共同盈利的集團(tuán)式企業(yè),以應(yīng)用帶動(dòng)民用碳纖維的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。3.2.3健全社會(huì)合作機(jī)制國家應(yīng)建立碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的信息平臺(tái)和知識(shí)共享機(jī)制,保障知識(shí)和信息的充分流動(dòng)。一是建立由主要碳纖維科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)參加的行業(yè)協(xié)會(huì),推進(jìn)相互間的交流與合作;二是依托權(quán)威機(jī)構(gòu)建立碳纖維產(chǎn)業(yè)信息平臺(tái),使行業(yè)內(nèi)外的企業(yè)能夠及時(shí)、全面地掌握產(chǎn)業(yè)信息;三是整理、匯總近年來政府各部門支持的碳纖維領(lǐng)域的研究成果,確定知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬,建立有償使用制度,保障創(chuàng)新能夠在已有基礎(chǔ)上推進(jìn);四是重點(diǎn)加強(qiáng)碳纖維產(chǎn)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的執(zhí)法力度,保障知識(shí)產(chǎn)權(quán)所有者的利益,促進(jìn)研發(fā)、工程設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)與設(shè)備制造和碳纖維生產(chǎn)企業(yè)之間的資源整合。3.2.4大適用范圍,大覆蓋碳纖維很少有直接使用,大多是經(jīng)深加工制成中間產(chǎn)物或復(fù)合材料后使用。為此,應(yīng)大力開展應(yīng)用研究,擴(kuò)大適用范圍,形成產(chǎn)業(yè)鏈,提升其附加值;通過上下游產(chǎn)業(yè)共同努力,形成良性互動(dòng),使我國碳纖維產(chǎn)業(yè)走上健康快速發(fā)展的軌道。逐步建立健全碳纖維工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用研發(fā)體系,立足自身,加強(qiáng)交流與合作,同時(shí)密切關(guān)注國際上著名碳纖維廠商技術(shù)發(fā)展進(jìn)程,借鑒其發(fā)展經(jīng)驗(yàn),加快發(fā)展步伐,努力縮小與國際間的差距。3.2.5行政手段相結(jié)合國內(nèi)PAN基小絲束的生產(chǎn)廠家較多,而大絲束是國內(nèi)的空白,因此開發(fā)生產(chǎn)大絲束是國內(nèi)重要的一個(gè)發(fā)展方向。要避免小規(guī)模、低水平的重復(fù)建設(shè),要通過資本運(yùn)作和行政手段相結(jié)合的方法對(duì)國內(nèi)目前的技術(shù)、人才和設(shè)備資源進(jìn)行有效整合,并吸引大型化纖企業(yè)的參與和投資,形成集中、明確的產(chǎn)品目標(biāo)和合理的生產(chǎn)規(guī)模。要盡快做強(qiáng)做大原絲和碳纖維,降低原絲和碳纖維成本,提高碳纖維的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。針