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碳纤维——轻量化应用或是突破口

时间：2016-08-18 浏览量：字号：

　

　　碳纤维已经从实验室走向普遍应用，全球碳纤维需求一直增添，海内碳纤维仍显落伍，国家从“十二五”妄想最先，就把生长碳纤维等新质料作为国家的战略工业生长。在国家政策和地方政府的支持下，许多碳纤维项目落地。碳纤维进一步扩大应用需求，可能将着眼于“空陆风”三大领域：1、航空航天；2、新一代汽车；3、风机叶片。

　　1、碳纤维：新质料从实验室走向普遍应用的典范

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　　1、为什么碳纤维受热捧？——质轻、高强、稳固性好

碳纤维，是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维。它的强度比钢的大，密度比铝的小，比不锈钢还耐侵蚀，又能像铜那样导电，是一种具有许多名贵的电学、热学和力学性能的新型质料，被誉为“玄色黄金”。碳纤维与最近的明星质料石墨烯是“统一家族”，可以说，碳纤维是由无数细小的石墨烯片（纳米级别）按一定的取向群集形成。这也诠释了为什么碳纤维和石墨烯都具有许多类似的电、热、力学性子。

　　2、碳纤维的分类有哪些？——主要是三类：制造质料、纤维数目、力学性能

碳纤维家族重大，种种各样的碳纤维具有差别的特点，以是有多种分类方法。

　�。�1）凭证碳纤维的制造质料分类，PAN基纤维是市场主流。

碳纤维主要分为聚丙烯腈基（PAN）碳纤维，沥青基碳纤维，黏胶基（纤维素）碳纤维。PAN基碳纤维。由于PAN基纤维制备要领较为简朴，获得的产品抗弯抗压性能又很是优异，以是是现在碳纤维市场的主流，占90%以上。

　�。�2）凭证纤维数目分类，大丝/小丝应用领域有所差别，小丝束价钱腾贵

单根的碳纤维在机械强度上是达不到应用需求的。现实使用的碳纤维都是由若干根碳纤维丝集束而成的。1K就代表一束碳纤维中有1000根丝。通常把1K、3K、6K、12K和24K的碳纤维称为小丝束碳纤维，小丝束碳纤维主要应用于军工、航空领域，因此又被称为“宇航级”碳纤维。价钱与大丝束碳纤维相比越发高昂。36K以上的碳纤维称为大丝束碳纤维，主要包括48K、60K、120K、180K、360K和480K。大丝束碳纤维现在主要应用于汽车、风力装置、一样平常工业等领域，因此被称为“工业级”碳纤维。

　�。�3）凭证力学性能分类，T、M各差别

笼统来讲，碳纤维分为高强碳纤维、高模碳纤维，超高强碳纤维、超高模碳纤维。所谓高强，指的是较高的拉伸强度。拉伸强度越大，碳纤维越难被拉断。高模，指的是较高的拉伸模量，拉伸模量越大，碳纤维越刚性，“宁折不弯”。可是在现实使用中，各人通常使用碳纤维天下龙头企业——日本东丽（TORAY）的产品编号，如T300、T800、T1000、M55等来对应差别性能的碳纤维。由于这些型号是Toray公司当初凭证强度下去分的，以是碳纤强度T300＜T600＜T700＜T800＜T1000，模量M30＜M40＜M46＜M50＜M60＜M65。

　　3、中外手艺差别有多大？——高性能碳纤维以日企为标杆，海内仍在T300/T700水平

　　现在高强度、高模量的碳纤维基本被日美企业垄断。缘故原由是碳纤维制备工艺重大，工艺参数需要大宗精神和款子探索，容易形成垄断。海内现在仍在T300，T700的水平，更高质量的碳纤维仍无法大规模生产。

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碳纤维的制备工艺流程重大，涉及工艺参数较多，积累这些参数往往需要几年的周期。并且碳纤维生产装备的手艺壁垒较高，外洋领头企业对生产装备实验封闭禁售。这也是现在我国高性能碳纤维生产难以实现的基础缘故原由。

　　现在主流的碳纤维是PAN基碳纤维，以是本文就以PAN基碳纤维为例先容碳纤维的制备流程：

　�。�1）丙烯腈单体制备

丙烯腈是大宗基本有机化工质料，主要通过丙烯氨化氧化历程获得，是制备聚丙烯纤维的主要单体。其纯度与质量直接影响合成碳纤维原丝的质量。

　�。�2）聚合反应形成聚丙烯腈

　　丙烯腈单体聚合生产聚丙烯腈是极为主要的办法。聚合反应历程的快慢、质料在反应釜中的漫衍、反应温度控制等都影响获得的聚丙烯腈的质量。

　�。�3）通过喷丝手艺形成聚丙烯腈原丝

　　将聚丙烯腈溶于溶剂，再将聚丙烯腈与溶剂混淆物通过类似淋浴似的喷丝头喷出来，形成聚丙烯腈原丝。再生产历程中，会在原丝前端施加牵引力，将原丝变细变致密。在这个环节中，溶剂的选择以及牵引力巨细、牵引速率都是主要的工艺参数。并且工艺参数的准确水平与生产装备亲近相关。

　�。�4）预氧化原丝形成预氧丝

关于原丝——聚丙烯腈纤维，由于是一维的线性大分子链，以是难热性差。通过预氧化历程（200~300℃）可以将其转化成二维梯形结构的大分子链，这样才华经受后续的更高温度处置惩罚。这里涉及一个主要的装备——预氧化炉。预氧化炉的温度梯度控制、送风排风控制以及原丝的牵引控制都是预氧化历程影响碳纤维质量的主要因素。

　�。�5）预氧丝经由碳化处置惩罚或者进一步石墨化处置惩罚，获得起源碳纤维

　　所谓碳化历程，就是让预氧化过的PAN纤维在高温下裂解，逸出氢、氧、氮等小分子，最后留下碳元素的历程。通常温度在1000~2000℃。此时获得的碳纤维内部碳原子是杂乱无章排列的。其强度和模量都不是最优。以是凭证产品需要，后续还可以增添石墨化历程。石墨化就是碳质料内部碳原子在更高温度下（2000~3000℃）举行重新排列，逐步趋向于完善六元网格的一个历程。此时的碳纤维的强度与模量都有显著提升。预氧化手艺和石墨化手艺是制备高性能碳纤维的要害办法，现在国产预氧化炉和石墨化炉的质量与外洋先进水平差别较大，在预氧化和石墨化环节突破生产手艺和生产装备的屏障是我国碳纤维生长的主要偏向。

　�。�6）对碳纤维外貌处置惩罚

　　履历碳化历程或者石墨化历程的PAN纤维已经成为碳纤维。但这种碳纤维并不是所需的终端产品。通常碳纤维都会与树脂、金属、陶瓷等基体复合，形乐成能多样的碳纤维复合质料。碳纤维复合质料才是工业、航天、汽车等领域所需的使用质料。简朴的类比来说，碳纤维犹如钢筋，而基体犹如水泥，钢筋与水泥的组合才是衡宇的修建质料。

　　而对碳纤维外貌处置惩罚是为了增大纤维的比外貌积，增强纤维外貌的化学活性，从而让后续的基体与碳纤维能够细密的团结，团结界面的优劣直接影响碳纤维复合质料的性能。

　�。�7）碳纤维上浆处置惩罚

　　在生产历程中，由于机械摩擦，碳纤维外貌容易起毛，或者泛起单丝断裂等征象，这样会影响碳纤维的强度。并且，毛丝的泛起也影响碳纤维与基体的团结。以是会在碳纤维外貌再涂一层有机物�；げ�，镌汰碳纤维起毛断丝的征象。

　�。�8）获得碳纤维加工成碳纤维复合质料

　　如上文所提，碳纤维并不会直接进入应用领域，而是使用树脂、金属、陶瓷等质料作为基体与之复合，形成强度、模量等综合指标及格的结构质料，即碳纤维复合质料。现在使用最多、最普遍的是树脂基复合质料（CFRP），人们也一直探索碳纤维加工成CFRP的要领，如树脂转达模塑（RTM）、注射成型、拉挤成型等，这里未几做先容。

　　2、碳纤维市场规模重大，主要看好“空陆风”

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　　随着碳纤维在大型飞机、风力发电、汽车工业等领域的需求一直扩大，全球各大碳纤维生产企业都扩大了生产规模。

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　　从市场份额来看，2014年全球碳纤维市场需求53.5千吨，约占总产能的41%。展望碳纤维需求将以10%左右的速率增添，在2015年抵达59千吨。现在，绝大大都的市场份额被美日企业朋分。在小丝束市场，日本三家企业东丽、东邦、三菱占市场54%的份额，紧随厥后的是美国Hexcel，台湾台塑等。在大丝束市场，美国的Hexcel与美国SGL公司占全球份额的73%，处于主导职位。

　�。ㄈ┖Ｄ谔枷宋淹瓿纱游薜接�，生长较快

随着国家政策支持力度的一直增大及市场需求的日益增添，我国碳纤维手艺和工业化水平显著提高。在已往20年实现了从无到有的突破。现在，海内巨细碳纤维生产企业近40家，国产碳纤维总产能抵达1.5万吨。其中，T300级碳纤维性能抵达国际水平，已进入工业化生长阶段；T700级碳纤维已建成千吨级生产线，产品进入应用审核阶段，低本钱干喷湿纺T700级碳纤维已经实现规�；�；T800级碳纤维吨级线建成并已实现批量生产。但高模高强的高品级碳纤维的制备手艺仍与国际碳纤维企业有较大差别。

　�。ㄋ模┱叨αΥ缶僦С�，碳纤维受热捧

　　1、日本政府鼎力大举推动，碳纤维工业同盟可一连生长

　　我国碳纤维的生长并不晚，不过遗憾的是，从20世纪70年月中期最先经由近40年生长，我国的碳纤维工业仍无法与日本公司在市场上正面竞争。缘故原由之一是日本在政策支持力度。日本政府高度重视高性能PAN基碳纤维相关手艺的研发，并给予人力、经费上的鼎力大举支持，包括在“能源基本妄想”、“经济生长战略纲要”和“京都议定书”“节约能源手艺研究开发计划”等基本政策红将碳纤维作为战略工业生长。

其次是建设工业同盟。日本在碳纤维领域的领先职位，与日本碳纤维工业同盟亲近相关。日本较早形成了工业同盟，同盟成员笼罩了整个碳纤维工业链，形成同盟内的配合优势，加速碳纤维手艺开发速率，为手艺的开发和商业化提供了更好的情形。

　　2、海内碳纤维国家重点帮助，将加速生长

　　国家从“十二五”妄想最先，就把生长碳纤维等新质料作为国家的战略工业生长。在国家政策和地方政府的支持下，许多碳纤维项目落地。在“十三五”时代，企业的自主立异能力、高性能碳纤维的生产装备与制备工艺依然是国家重点帮助的偏向，也是海内碳纤维企业需要重点攻关的偏向。

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　　20世纪60年月到70年月，碳纤维走出实验室，在火箭与太空飞船等军事领域有少量应用，那时碳纤维制备本钱高昂，下游需求很少，与现在的石墨烯行业十分类似。随着研究的深入和制备本钱的降低，碳纤维逐渐应用于运动器材等领域。在20世纪末，碳纤维最先大规模应用于飞机、汽车制造，极大的推动了碳纤维工业的成熟与生长。时至今日，全球碳纤维产量凌驾5万吨，平均本钱低于5美元每磅。据美国AJR照料公司展望,碳纤维全球销售额将由2011年的16亿美元增添至2020年的45亿美元，碳纤维复合质料将从　2011年的161亿美元增添至2020年的487亿美元。

碳纤维及复合质料最早进入民用领域是体育休闲用品。主要应用是自行车、垂纶竿、高尔夫球杆和网球拍等等体育用品。据调研，现在全球体育休闲市场对碳纤维的需求占总需求的16%，但这一部分需求已经靠近饱和。预计到2020年这一比例将降低到5%。航空航天已经工业应用将占95%以上的需求。其中工业需求中，预计汽车与风机叶片将大幅增添，发动全球碳纤维工业的生长。

　　1、高性能碳纤维逐渐进入民用航空领域

随着对飞机航行时间和可靠性的更高要求，碳纤维逐渐走进飞机结构材领域，挑战铝合金的统一职位。据报道，商用飞机每减重一公斤，一年就能节约3000美元的燃料。远程火箭、太空飞船每减重一公斤，就能节约10,000美元的燃料。统计显示，现在碳纤维复合质料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已经在70~80%，在军用飞机上占30~40%，在大型客机上占10~50%。2014年CCeV统计数据显示，航空航天市场合需碳纤维在数目占比29%，可是总市场金额占到了48%，说明该领域使用的多是高价值的碳纤维。

空中客车公司的A380飞机的主要结构中，22%接纳了碳纤维复合质料，飞机尾翼和最大直径凌驾6米的后机身都是由碳纤维复合质料制造。这些碳纤维复合质料由Hexcel公司和Cytec公司提供。专家称，关于同样的强度，碳纤维复合质料要比相同的金属结构轻15%到25%。例如A380的中心翼盒比相同的铝制质料轻3吨左右，按估算每年可以节约900万美元的燃油费�？湛凸镜腁350XWB飞机使用碳纤维复合质料的比例高达53%，主要使用在机身壁板、龙骨梁、机翼和尾翼等，据预计每架飞机的碳纤维复合质料用量凌驾400万美元。而提供这些碳纤维复合质料的依然是Hexcel公司。

波音公司在2007年推出的787飞机，碳纤维复合质料占比也凌驾了50%。一架飞机使用凌驾30吨的碳纤维复合质料，现实碳纤维用量凌驾20吨。波音公司称，复合质料的使用可以节约燃料用度约20%。这碳纤维复合质料的供应商是日本东丽公司。东丽除向现有的中大型飞机“787”之外，还将向最早于2020年投入使用的777X供应主机翼用碳纤维复合质料。

　　2、汽车轻量化跟碳纤维生长带来新机缘

新一代汽车的生长偏向是包管清静性的同时轻量化。碳纤维密度比碳钢、铝合金低，强度与模量都凌驾钢材，因此接纳碳纤维复合质料是最有用的步伐。据统计，在2013年碳纤维复合质料在汽车领域产值约10亿美元，预计2020年产值抵达60亿美元。外洋的各大主要汽车厂家都在起劲安排碳纤维及碳纤维复合质料在新一代汽车上的应用。

由于现在碳纤维复合质料本钱较高，以是主要使用在顶级跑车与豪华汽车市场。许多厂商推出了全碳纤维复合质料笼罩的看法车。例如法拉利推出的LaFerrari，兰博基尼Aventador，保时捷918 spyder，布加迪威龙等，都使用100%全碳纤维复合质料包覆，不但极大的减轻了车身质量，并且在外观造型上更具质感。可是超等跑车与豪华汽车与一样平常汽车相比，产量较小，虽然在全车的使用比例较大，但不会对碳纤维需求带来显著提升。

　　2013年，宝马与SGL公司合作，推出了接纳大宗碳纤维复合质料打造的i3纯电动汽车产品。宝马i3全重1224kg，成员座舱�？橛扇枷宋春现柿洗蛟�，比铝合金设计轻300kg左右。整个车体重量的减轻提高了电动汽车的续航能力。随后宝马公司在i7、M系列也大宗的接纳了碳纤维复合材。碳纤维已经成为宝马未来汽车轻量化的生长重点。据统计，到2020年，碳纤维在汽车上的需求将由2013年的2600吨猛增到23000吨，将与航空航天应用持平。这充分批注晰碳纤维工业在汽车轻量化方面有很大的市场空间。

只管碳纤维复合质料在汽车工业的应用极具远景，它仍需要解决本钱和制备工艺的问题：碳纤维的本钱在20到30美元每公斤，是古板钢材的20倍，是铝材的10倍左右；制备耗时较长，冲压一个金属部件可能需要1分钟左右，而碳纤维复合质料可能需要几个小时；碳纤维复合质料还无法像金属质料那样易于接纳；碳纤维复合质料是新型质料，怎样设计质料参数与结构依然处于探索阶段，履历上没有古板质料成熟。

　　3、大功率、大尺寸风力叶片将是碳纤维未来的主要市场之一

碳纤维与古板制作风机叶片的玻璃纤维相比，重量减轻30%，强度大40%，模量提高3到8倍，是现在大型风机叶片的生长偏向。在现在化石燃料价钱保存重大波动的配景下，风电装置本钱低廉的优势日渐凸显，风电正在快速成为成熟的手艺。凭证全球风能理事会数据，2014年全球风电新增装机容量抵达51,477MW，其中中国占45%以上。全球累计装机总量369,553MW，中国装机量占31%，居天下首位。风机组也正朝着大型化生长，风机叶片越来越长，功率越来越大。韩国南方电力公司和三星重工2013年建设的风电组，最长的风机直径抵达171.2米，单个叶片长度抵达83.5米。这对叶片质料的强度和刚度有了更高的要求。

使用碳纤维取代古板的玻璃纤维制作风力叶片可以在提高叶片刚度的同时降低叶片质量，提高了风机的输出功率。并且碳纤维叶片的抗疲劳性能更优越，自己导电的性能也能阻止叶片在特殊天气的侵蚀和雷击。

　　3、海内碳纤维企业初具规模，手艺焦点决议市场远景

　�。ㄒ唬┕ひ盗闯墒�，下游应用是扩大市场的要害

　　碳纤维工业链主要包括丙烯腈、原丝、碳纤维、中心质料、复合质料和下游应用6个环节。

　　1、上游：丙烯腈供应富足，原丝与碳纤维生产装备与手艺是碳纤维工业的焦点

PAN基碳纤维占90%以上的碳纤维市场，其主要质料是丙烯腈。从2014年7月至今，丙烯腈价钱一直下调，从14000元每吨下调至8000元每吨。从丙烯腈价钱来看，丙烯腈作为碳纤维质料供应较富足。原丝与碳纤维的制备依然是工业链的焦点，其中原丝在碳纤维制备中占本钱的53%。另外值得一提的是，制备原丝和碳纤维的生产装备也是上游极为主要的环节。通常国际碳纤维生产企业如东丽、Hexcel等都自己设计制备生产装备并对外保密，以是生产装备也是碳纤维上游的焦点手艺，海内碳纤维企业一旦有重大突破，将会带来碳纤维上游工业名堂的转变。

　　2、中游：碳纤维中心产品及复合质料是碳纤维与现实应用之间的主要桥梁

碳纤维工业链的中游是碳纤维中心产品与复合质料制备企业。中心产品主要指碳纤维预浸料和碳纤维布等，是碳纤维用于复合质料之前的主要桥梁，中心产品可以提高碳纤维附加产值，降低碳纤维行情波动对企业带来的影响。复合质料是将预浸料举行层压、纠葛等加热固化获得的质料，碳纤维增强树脂复合质料约占90%以上的市场份额。

　　3、下游：碳纤维应用质料

碳纤维产品性能优异，在下游有普遍的应用远景，如航空、风能、汽车、体育休闲等领域。现在碳纤维在还处于市场推广期，碳纤维的引入能否提高下游企业的产品竞争力是拓展碳纤维下游应用的要害因素。

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