国内碳纤维产业发展浅析及展望
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2024年碳纤维复合材料市场前景分析引言碳纤维复合材料是一种由高强度碳纤维和塑料基体组成的材料。
随着科技的进步和环境保护意识的增强,碳纤维复合材料在各行各业中得到了广泛的应用。
本文将对碳纤维复合材料市场的前景进行深入分析。
1. 碳纤维复合材料的优势碳纤维复合材料具有许多优势,如高强度、轻质、耐腐蚀、耐高温、良好的机械性能等。
这些优势使得碳纤维复合材料在航空航天、汽车、体育用品等领域中得到了广泛应用。
2. 碳纤维复合材料市场的前景2.1 航空航天领域航空航天领域对材料的要求极高,碳纤维复合材料由于其轻质高强度的特性,在飞机、航天器等领域中得到了广泛应用。
随着航空业的发展,碳纤维复合材料市场有着巨大的潜力。
2.2 汽车领域碳纤维复合材料具有良好的机械性能和轻质化特性,可用于汽车制造中,可以减少汽车的自重,提高燃油经济性和行驶性能。
随着汽车产业的不断发展,碳纤维复合材料在汽车领域的市场前景广阔。
2.3 体育用品领域碳纤维复合材料的高强度、轻质特性使其成为体育用品制造的理想材料。
例如,碳纤维复合材料可以用于制作高级运动装备、自行车车架、高尔夫球杆等。
体育用品领域的市场需求将推动碳纤维复合材料市场的发展。
2.4 其他领域除了上述领域,碳纤维复合材料还可以应用于建筑、电子产品、医疗器械等行业。
随着科技的进步,碳纤维复合材料在更多领域中的应用将不断扩展,市场前景广阔。
3. 市场挑战与机遇碳纤维复合材料市场面临着一些挑战,如成本高、生产工艺复杂等。
然而,随着技术的进步和应用领域的拓展,这些挑战正在逐渐被克服。
碳纤维复合材料市场还蕴含着巨大的机遇,如绿色环保趋势的兴起、对轻质高强材料需求的增加等。
结论由于碳纤维复合材料的多重优势以及各领域市场的广阔需求,碳纤维复合材料市场前景良好。
虽然市场面临一些挑战,但随着技术的进步和市场需求的不断增长,碳纤维复合材料将有着广阔的发展前景。
我国碳纤维行业发展现状分析一、碳纤维介绍及分类碳纤维是一种含碳量高于90%的无机纤维。
由有机纤维在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构而制得。
碳纤维具有出色的力学性能和化学性能。
作为新一代增强纤维,碳纤维具有碳材料固有的本性特征,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,广泛应用于航空航天、新能源、交通运输等领域。
碳纤维可以按照原丝种类、制造条件和方法、力学性能、纤维形态、丝束大小等维度进行分类,不同种类的碳纤维在不同领域的应用有所不同。
其中原丝类型碳纤维中,聚丙烯腈(PAN)基碳纤维占据主流地位,产量占碳纤维总量的90%以上,粘胶基碳纤维还不足1%。
二、全球碳纤维行业发展现状2019年全球碳纤维需求总量达10.4万吨,同比增长12%,金额达到28.7亿美元,同比增幅11.6%。
2008-2019年全球碳纤维需求量年复合增长率为10.12%。
这是全球碳纤维发展60余年来需求量首次突破10万吨大关,直接反映碳纤维下游需求的持续扩张。
随着各国对碳纤维投入加大,核心技术将不断突破,极大缩短下一个10万吨需求增长所用时间,预2025年全球碳纤维需求量将达到20万吨,2030年将达到40-50万吨。
从全球碳纤维下游需求量占比来看,航空航天稳占碳纤维需求主体地位,2019年航空航天领域碳纤维需求量2.35万吨,同比增长12%,占总需求量的23%。
由于航空航天高端碳纤维单价较高,因此该领域2019年需求金额达14.1亿美元,占需求总金额的49%。
2019年航空航天领域碳纤维需求的增加主要来源于波音787和空客A350产能的扩张。
三、我国碳纤维行业发展现状我国碳纤维需求迅速提升,12年增长近5倍。
2008-2019年我国碳纤维需求量从0.8万吨增加到3.8万吨,年复合增长率为15.22%,2019年我国碳纤维需求量占全球总需求量的36%。
预计到2025年,我国碳纤维需求总量将达到11.9万吨我国碳纤维需求主要来源于风电叶片、体育休闲领域,航空航天需求严重不足,2019年我国风电叶片碳纤维需求量为1.38万吨,同比增长达72.5%,占总需求量的36.5%。
碳纤维新材料市场发展现状引言碳纤维是一种轻量高强度的材料,具有良好的机械性能和优异的耐腐蚀性能,因此在许多领域得到广泛应用。
本文将介绍碳纤维新材料市场的发展现状,并对其未来的发展进行展望。
市场概况碳纤维新材料市场在过去几年持续增长。
其中,航空航天和汽车行业是碳纤维新材料的主要应用领域。
航空航天领域的需求主要来自于飞机和卫星等航空器的制造,而汽车行业则主要应用于车身和零部件的制造。
随着环保意识的提高,碳纤维新材料在能源领域也得到了广泛应用。
例如,风力发电机翼和太阳能电池板都可以采用碳纤维材料制造,以提高能源转换效率。
此外,体育用品、建筑材料和船舶制造等领域也开始逐渐应用碳纤维新材料。
发展趋势1.技术创新:碳纤维新材料的生产技术不断创新。
过去,碳纤维生产主要依赖进口设备,而现在国内的设备制造商也逐渐崭露头角。
此外,新的生产工艺和材料组合也在不断涌现,提高了碳纤维的生产效率和性能。
2.成本降低:随着碳纤维新材料的市场需求增加,生产规模的扩大和技术进步带来了成本的降低。
预计未来几年碳纤维的价格将进一步下降,使更多的行业可以选择使用碳纤维材料。
3.应用扩展:碳纤维的应用领域将进一步扩展。
例如,在航空航天领域,未来可能会出现更多的碳纤维复合材料结构,以减轻飞机的重量。
在能源领域,碳纤维材料也可以应用于储能设备和电池等领域。
4.绿色环保:碳纤维材料具有良好的环境友好性,符合当今社会对绿色环保的要求。
未来,碳纤维新材料市场将受到更多环保政策和法规的支持,促进其进一步发展。
挑战与机遇虽然碳纤维新材料市场发展前景广阔,但也面临一些挑战。
其中,成本仍然是一个关键的问题。
碳纤维的生产成本高,制约了其在一些行业的广泛应用。
此外,碳纤维的回收和再利用也是一个亟待解决的问题。
然而,随着技术的进步和市场需求的增加,这些挑战也将带来机遇。
预计在未来几年,碳纤维新材料市场将迎来更多的投资和研发,以解决这些问题并进一步推动碳纤维的应用。
国内外碳纤维产业现状及发展建议碳纤维是一种具有轻质、高强度、高刚度等优良性能的纤维材料,被广泛应用于航空航天、汽车、体育用品等领域。
在当前全球温室气体排放限制的背景下,碳纤维产业的发展具有重要意义。
本文将就国内外碳纤维产业的现状进行分析,并提出相应的发展建议。
首先,从国内碳纤维产业现状来看,我国碳纤维产业起步较晚,与国际先进水平仍有一定差距。
目前,国内碳纤维产业主要集中在碳纤维预浸料生产和产品加工环节,而碳纤维纤丝的制备技术仍然面临一定的挑战。
同时,国内碳纤维产业的产品主要集中在低端市场,高端市场份额较小。
其次,国际碳纤维产业的发展较为迅速,主要集中在美国、日本和欧洲等国家。
这些国家在碳纤维纤丝制备、加工技术和产品创新方面具有较大优势,能够生产出高性能、高质量的碳纤维产品。
此外,国际碳纤维产业还在努力提高碳纤维的可持续性,研发出更环保的碳纤维材料。
为了促进国内碳纤维产业的发展,以下是一些建议:首先,加强碳纤维纤丝制备技术研发。
碳纤维纤丝的制备技术是碳纤维产业的核心关键技术,目前我们国内的碳纤维纤丝制备技术相对滞后,需要加大研发投入,提升核心竞争力。
此外,还应加强与高校、科研机构等的合作,共同攻克关键技术难题。
其次,加强碳纤维应用领域的研发和创新。
目前,我国碳纤维产品主要集中在低端市场,需要加大对高端市场的开拓力度。
应鼓励企业加大科研投入,推动碳纤维在航空航天、新能源汽车等领域的应用,提高产品附加值和市场竞争力。
第三,加强碳纤维产业的标准化建设。
碳纤维产业的发展需要建立健全的产业标准体系,确保产品质量和技术水平的一致性,同时也有助于提升行业整体竞争力。
应加强国内外产业标准的学习借鉴,积极参与国际标准的制定。
第四,加强碳纤维产业链的协同发展。
碳纤维产业是一个复杂的产业链,需要各个环节的协同发展。
政府应加强对碳纤维产业链的整体规划和统筹,促进供需双方的合作,形成产业协同效应,提升整体竞争力。
最后,加强碳纤维产业的国际合作。
碳纤维行业分析报告1. 简介碳纤维是一种轻质高强度的材料,由纯碳纤维制成。
它以其优异的物理性能而在众多领域得到广泛应用。
本文将对碳纤维行业进行深入分析,包括市场规模、发展趋势、竞争格局等方面。
2. 市场规模碳纤维市场规模不断扩大,预计未来几年将保持良好的增长势头。
主要原因如下:•高性能需求:碳纤维具有轻质高强度的特点,适用于航空航天、汽车、体育器材等领域,满足了对材料强度和重量的要求。
•新兴领域需求增加:电动汽车、风能、建筑等领域对碳纤维的需求不断增加,推动了碳纤维市场的快速发展。
•技术进步:碳纤维制造技术不断改进,生产成本逐渐降低,提高了碳纤维的市场竞争力。
3. 发展趋势3.1 新兴应用领域碳纤维在一些新兴领域有较大的应用潜力。
例如:•电动汽车:碳纤维轻质高强的特性可以提高电动汽车的续航里程,并减少电池的消耗。
随着电动汽车市场的快速发展,碳纤维在该领域的需求将进一步增加。
•新能源:碳纤维可以用于风能、太阳能等新能源设备中,提高设备的效率和可靠性,降低能源损耗。
•建筑领域:碳纤维材料可以增强建筑结构的强度和耐久性,提高建筑物的抗震性能。
3.2 技术创新碳纤维行业的发展离不开技术创新。
目前,碳纤维制造技术仍然存在一些挑战,例如生产成本高、生产周期长、回收利用困难等。
因此,技术创新是碳纤维行业未来发展的重要驱动力。
•新材料开发:研究开发更高性能的碳纤维材料,如高导电碳纤维、高强度碳纤维等。
•制造工艺改进:改进碳纤维的制造工艺,提高生产效率,降低成本。
•环保回收利用技术:研发碳纤维的回收利用技术,减少资源浪费,降低对环境的影响。
3.3 国际竞争格局碳纤维行业的国际竞争格局日益激烈。
全球范围内,一些先进国家和地区在碳纤维技术和产业化方面处于领先地位,如美国、日本、欧洲等。
这些地区拥有先进的制造设备、技术和丰富的市场经验,具有较高的竞争优势。
同时,一些新兴经济体也在碳纤维行业中崭露头角,如中国、韩国、印度等。
碳纤维是一种高强度、低密度、耐热、耐腐蚀的新型复合材料,由于其优异的性能,已经被广泛应用于航空、航天、汽车、体育器材等领域。
碳纤维行业随着技术的不断提升和市场需求的增加,发展迅速。
以下是碳纤维行业发展现状的详细阐述。
一、碳纤维市场规模目前,全球碳纤维市场规模已经达到近70亿美元,预计未来几年仍将保持高速增长,主要原因是碳纤维在航空、航天、汽车等领域的应用不断扩大。
二、碳纤维生产技术碳纤维生产技术主要分为聚丙烯腈(PAN)法、煤焦油法和天然纤维法三种。
其中,PAN法是目前主流的生产工艺,占据碳纤维市场的绝大部分份额,其优点是产品质量稳定、符合国际标准要求,但成本较高。
煤焦油法和天然纤维法虽然成本较低,但产品质量不稳定,难以满足高端市场的需求。
三、碳纤维应用领域碳纤维应用领域主要包括以下几个方面:1、航空航天领域:碳纤维被广泛应用于飞机、导弹等航空航天器的结构材料,其优异的性能可以大幅度减轻飞行器自重,提高燃料效率。
2、汽车领域:碳纤维在汽车制造中的应用逐渐增多,尤其是高端豪华车型。
碳纤维零部件的使用可以使汽车整车重量减轻,提高安全性和燃油经济性。
3、体育器材领域:碳纤维在高尔夫球杆、网球拍、自行车等体育器材中得到广泛应用。
碳纤维的轻量化和高强度特性,可以提高运动员的表现和竞技水平。
4、建筑领域:碳纤维也逐渐被引入到建筑领域,如钢筋混凝土加固、桥梁修缮等方面。
碳纤维的使用可以提高建筑物的抗震性和抗风性能,同时减少建筑材料的使用量。
四、碳纤维产业发展趋势1、技术创新:碳纤维产业在技术创新方面仍有很大的发展空间。
未来将致力于开发新的生产工艺、改善产品质量、提高生产效率等方面的技术创新。
2、产业链完善:碳纤维产业将逐渐形成完整的产业链,包括原材料、制备、加工、应用等环节。
未来,碳纤维产业将会更加集中化和专业化。
3、市场需求增长:随着碳纤维在航空、汽车、体育器材等领域的应用不断扩大,市场需求将进一步增长。
同时,碳纤维在新能源汽车、船舶等领域的应用也将逐渐增多。
2024年碳纤维布市场发展现状1. 概述碳纤维布是由高强度碳纤维纱线编织而成的一种新型复合材料。
由于其轻质、高强度、优异的耐腐蚀性和热稳定性,碳纤维布在航空航天、汽车制造、建筑等领域具有广泛的应用前景。
本文将对碳纤维布市场的发展现状进行分析。
2. 市场规模根据市场调研机构的数据显示,近年来碳纤维布市场呈现稳步增长的趋势。
预计到2025年,全球碳纤维布市场规模将达到X亿美元。
亚太地区是碳纤维布市场的主要增长驱动力,受到航空航天和汽车制造行业的需求推动。
3. 应用领域3.1 航空航天领域碳纤维布在航空航天领域具有广泛应用。
用碳纤维布制作的航空器结构件比传统材料更轻,可以提高燃油效率和飞行性能。
此外,碳纤维布还具有较强的抗腐蚀性,能够在恶劣的环境中长期使用。
3.2 汽车制造汽车制造行业也是碳纤维布市场的重要应用领域。
碳纤维布制成的车身结构件具有高强度和良好的耐撞击性能,可以增加汽车的安全性。
此外,由于碳纤维布的轻质性能,汽车制造商能够减小车身重量,提升燃油效率。
4. 竞争态势碳纤维布市场存在激烈的竞争。
目前,全球市场上主要的碳纤维布供应商包括XXX、YYY和ZZZ等公司。
这些公司在技术研发、产品质量和价格竞争等方面展开竞争。
5. 市场挑战尽管碳纤维布市场前景广阔,但仍面临一些挑战。
首先,碳纤维布的制造过程复杂,生产成本较高,限制了其在一些领域的应用。
其次,碳纤维布的规格和质量需求较高,制造商需要提高生产工艺和质量控制能力。
6. 发展趋势随着碳纤维布市场的不断成熟,一些新的发展趋势也逐渐显现。
首先,碳纤维布的生产技术在不断进步,生产成本逐渐降低,促进了其应用范围的扩大。
其次,碳纤维布在新兴领域如新能源汽车、风能和船舶制造中的应用将得到进一步推广。
7. 总结综上所述,碳纤维布作为一种具有广泛应用前景的新型复合材料,在航空航天和汽车制造等领域正蓬勃发展。
随着技术进步和成本的降低,碳纤维布的市场规模将不断扩大。
中国碳纤维行业发展现状分析一、碳纤维行业概况碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。
它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
碳纤维主要分为粘胶基、沥青基和聚丙烯腈(PAN)基三大种类,各有不同的使用场景和生产方法。
其中沥青基碳纤维碳收率最高,可达80%-90%,但由于生产成本高,而难以应用于大批量工业应用制造。
PAN基碳纤维综合性能最好、生产工艺成熟简单、应用最广、产量最高、品种最多,是目前全球碳纤维市场的主流碳纤维产品,产量占全球碳纤维总产量的90%以上。
完整的碳纤维产业链包含从能源获取到成品制造的全过程。
碳纤维行业上游是制备聚丙烯晴(PAN)原丝过程,由于在原材料中原油制丙烯成本最低,故而此过程首先从原油中制出丙烯,再将丙烯经氨氧化后得到丙烯腈,再经聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈(PAN)原丝。
产业链中游是利用原丝经过预氧化、低温和高温碳化后就得到碳纤维,以及制备碳纤维织物和碳纤维预浸料,碳纤维预浸料可根据不同需求制成各类复合材料成品。
产业链下游是以航空航天、体育休闲、风电叶片、工业领域为主的相关应用领域。
二、全球碳纤维行业发展现状分析近年来,随着碳纤维行业产业链下游应用领域的不断发展,直接拉动了全球碳纤维需求的增长。
全球碳纤维总需求已从2013年5.01万吨,增长到了2019年的10.37万吨,复合增速为11.89%,预计2020年全球总需求将达到11.24万吨。
碳纤维行业下游产业中,风电叶片、航空航天、体育休闲的碳纤维需求量分别为2.55万吨、2.35万吨、1.50万吨,占据需求构成的前三位,占比分别为24.59%、22.66%、14.46%。
2019年,航空航天产业对碳纤维需求量仅占总需求量的22.66%,但其销售金额价值却达到了14.1亿美元,占碳纤维总销售金额的49.13%,占比将近一半;体育休闲、风电叶片、汽车领域的碳纤维市场需求价值分别为3.45亿美元、3.57亿美元、2.12亿美元,除航天航空的其他领域市场需求合计占比50.87%。
2024版中国碳纤维行业报告2024年,中国碳纤维行业在全球市场上保持了稳步增长的态势。
随着国内碳纤维技术的不断提高和产能的扩大,中国碳纤维行业已经成为全球碳纤维市场的重要参与者之一、本报告将对2024年中国碳纤维行业的发展情况进行分析。
一、行业概况2024年,中国碳纤维行业产值稳步增长,产能扩张明显。
中国碳纤维的主要生产商包括山东力神、江苏盛源、中节能等,这些企业在碳纤维生产技术和产能方面都处于国内领先地位。
中国碳纤维产品主要用于航空航天、船舶制造、汽车制造、体育用品等领域。
二、市场需求随着我国制造业的转型升级,碳纤维作为高性能材料越来越受到市场的青睐。
碳纤维产品在航空航天、船舶制造、汽车制造等领域有着广泛的应用前景。
另外,随着人们生活水平的提高,碳纤维制品在体育用品、自行车、电子产品等领域也逐渐受到消费者的喜爱。
三、发展趋势未来几年,中国碳纤维行业将继续保持稳步增长的态势。
随着碳纤维生产技术的不断提高和成本的不断降低,碳纤维产品的市场占有率将进一步扩大。
同时,碳纤维产品在航空航天、船舶制造、汽车制造领域的应用将会更加广泛,碳纤维产品将成为未来高端制造业的主要材料之一四、挑战与机遇中国碳纤维行业在发展过程中面临着一些挑战,如技术创新不足、环保要求提高等。
但同时,中国碳纤维行业也面临着巨大的发展机遇,如中国制造2025计划的实施、国内市场需求的增长等将为碳纤维行业的快速发展提供有力支撑。
综上所述,2024年中国碳纤维行业保持了稳步发展的态势,未来几年也将继续保持良好的发展势头。
中国碳纤维行业有望成为全球碳纤维市场中的重要力量,为我国高端制造业的发展做出更大贡献。
国内外碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势近年来,碳纤维及其复合材料产业在国内外都取得了长足的发展。
碳纤维是一种具有高强度、高模量、轻质化等优良性能的新型纤维材料,具有较高的比强度和比模量,是先进复合材料中的重要增强材料之一。
在航空航天、汽车制造、体育器材、军工等领域都有着广泛的应用。
一、国内碳纤维及其复合材料产业现状1. 生产能力扩张我国作为世界上最大的碳纤维生产国之一,碳纤维及其复合材料产业的生产能力不断扩张。
国内碳纤维产能大幅增长,不仅仅是普通碳纤维、高模碳纤维产业迅速发展,还有更多创新型碳纤维产业在崛起。
2. 技术水平提升我国碳纤维及其复合材料产业的技术水平不断提升,专业的生产技术和质量管理系统逐步完善。
一些企业还在研发领域进行了不少探索,推动着碳纤维产业技术创新。
3. 应用领域拓展国内碳纤维及其复合材料产业在汽车、航空航天、能源、建筑等领域的应用逐步拓展,已成为国家战略性新兴产业的重要组成部分。
二、国外碳纤维及其复合材料产业现状1. 技术领先国外一些发达国家在碳纤维及其复合材料产业方面技术领先,产品质量和性能得到了全球认可。
其在航空航天等领域的应用更为成熟和广泛。
2. 创新驱动一些国外企业致力于碳纤维及其复合材料产业的创新发展,通过不断改进生产工艺和提高产品性能,使其在国际市场上保持竞争力。
3. 国际合作国外碳纤维及其复合材料产业在国际市场具有较强的竞争力,国际合作成为其发展的重要动力。
三、国内外碳纤维及其复合材料产业发展趋势1. 创新驱动随着科技的不断进步,碳纤维及其复合材料产业将在材料、工艺、设备等方面持续进行创新,以提高产品性能和降低成本。
2. 应用领域拓展碳纤维及其复合材料产业将在航空航天、汽车制造、能源、体育器材等领域继续拓展应用,成为相关行业的主要材料。
3. 绿色制造随着环境保护意识的提高,碳纤维及其复合材料产业将向更加环保、可持续的方向发展,加快推动绿色制造的进程。
四、个人观点和理解碳纤维及其复合材料产业的发展给各个领域带来了巨大的推动力,我对其发展充满信心。
国内碳纤维产业发展浅析及展望作者:姜茂川范雨娇来源:《新材料产业》2017年第08期碳纤维作为国家战略性新材料,随着碳纤维复合材料应用的扩大得到越来越多的重视。
碳纤维复合材料的优势主要在于以下几点:①低密度,碳纤维复合材料的密度一般在1.5~1.8之间,而传统结构材料中铝的密度为2.7,钢的密度约为7.8,要远大于碳纤维复合材料;②高的比强度、比刚度,其比强度是钢的7~8倍、铝的3~4倍,比刚度是钢和铝的2~3倍;③具有优异的耐疲劳、耐腐蚀性能,使用环境和寿命均有较大保障;④可设计性,复合材料是一种各向异性材料,可以通过铺层设计来达到性能与结构的最优配置;⑤易于整体化成型,作为结构材料,其具有整体化成型的优势,可大大减少装配与维护成本[1-3]。
一、国内碳纤维产业发展背景20世纪60年代基于我国航空航天领域对碳纤维材料迫切需求的背景下,国内开始组织开展对碳纤维的基础研究工作。
但是由于碳纤维的制造工艺复杂、多学科交错、基础技术要求高等原因,直至20世纪80年代,我国虽已建成碳纤维原丝生产线,产品性能基本达到当时日本东丽T200级的水平,但产品质量及稳定性一直未能突破,无法作为航空航天用结构材料[4]。
20世纪90年代后期,北京化工大学在国家部委立项支持下实现了碳纤维原丝制备关键技术的突破,中国石油吉林石化公司(以下简称“吉林石化”)依此开展了工程化研究,用溶剂法代替了硝酸法,使得我国碳纤维制备技术成功转型,为之后国产碳纤维的产业化应用打下了基础[5]。
21世纪初,随着国内外碳纤维材料的应用进一步扩大以及国内材料界前辈的推动,我国对碳纤维产业更加重视,国内逐渐建立起碳纤维及其复合材料的“产、学、研、用”体系,实现了碳纤维行业较为完整的产业链,促进了碳纤维行业的发展[6]。
在原丝制备上形成了以有机溶剂1步法纺丝为主,其他溶剂1步法或2步法纺丝并存的原丝制备体系,解决了以往国产碳纤维离散性大、强度偏低等难题[5]。
至2011年底,国内碳纤维企业中具有500t产能以上规模的企业达到了7家,其中有4家建立起千吨级生产线。
近年来,碳纤维的研究方向朝着更高强度与更高模量的2个方向发展,图1中列出了日本东丽的主要碳纤维产品型号的性能。
日本东丽的研究认为,控制纤维表面的微缺陷可以得到更高强度的碳纤维,纤维中石墨晶体的轴向取向好可以得到更高模量的碳纤维[7]。
鉴于湿法纺丝本身的工艺缺陷,从微观形态上来看其纤维表面具有较多的微缺陷,这些缺陷对碳纤维的拉伸强度有较大的影响,因此如果沿用湿法纺丝工艺,很难制备出具有更高强度的碳纤维。
参照国外的生产经验,国内各大科研院所、高校开展对干喷湿纺工艺的研究,干喷湿纺碳纤维由于存在空气层的牵伸,纤维表面缺陷更少,更容易获得高强度的碳纤维[8],日本东丽的T800S、T1000G等高强碳纤维均采用该纺丝工艺。
至2016年,国内干喷湿纺碳纤维技术趋于成熟,威海拓展纤维有限公司、江苏恒神纤维材料有限公司、中复神鹰碳纤维有限公司等企业均形成了干喷湿纺的大规模生产线,具备了T800级碳纤维规模化生产的能力。
综合来看,截至目前,国产T300、T700级碳纤维性能达到国外同类碳纤维的水平,已实现千吨级的稳定生产并获得应用,实现自主保障,并在进行民用飞机复合材料验证;国产T800级碳纤维制备关键技术已基本突破,完成了材料全面性能的初步评价,开始进行工程化验证和批生产项目;高模量M系列碳纤维的研发工作已经开展,其中M40J级别的碳纤维实现了小批量供应。
二、国内碳纤维产业现状碳纤维产业链的核心环节包括上游原丝生产、中游碳化环节、下游复合材料及应用;工业链条从原丝、碳化、预浸料、复合材料,有甚高的一致性要求,体现为技术密集型产业。
碳纤维制造工艺复杂,是一项集多学科、精细化、高尖端技术于一体的系统工程,其涉及物理、化学、纺织、材料、精密机械、自动化等多个学科领域;工艺流程包括温湿度、浓度、年度、流量等上千个参数的高精度控制,综合控制最终才能保证碳纤维性能与质量的稳定性。
在国家政策扶持下,我国碳纤维行业在关键技术、装备、产业化生产及下游应用等方面均已取得重大进展,高强型碳纤维千吨级产业化装置陆续建成并投产;高强中模型工程化关键技术得到突破,百吨级生产线陆续投产并进入应用验证阶段;高模型碳纤维随着超高温碳化炉等技术突破,也已进入工程化应用验证阶段。
但是由于我国碳纤维关键技术突破较晚,且国外在碳纤维及其复合材料领域一直对我国实行技术封锁,导致我国碳纤维产业的发展相较国外仍有着较大的差距。
据统计至2016年底,全国具有千吨级生产线的企业有6家,500吨级生产线的企业5家,100吨级生产线的企业9家,还有10多家产能不足100t的企业,如图2中所示。
以上全国30多家主要碳纤维企业的产能约为22 000t,总产能却还不到日本东丽的一半;2016年碳纤维年产量仅为3 600t左右,产能释放率不到20%;2015年我国碳纤维实际需求量约为1.84万t,自给率仅为20%。
三、国产碳纤维应用情况根据碳纤维的应用领域不同,目前碳纤维及其复合材料的研究主要分为2个方向。
一个是面向军工行业、新型飞机、宇航探索等高新领域,其对材料的性能提出了更高的要求,促使碳纤维向着高强度、高模量的方向进行研究;另一个是面向民用领域包括汽车、轨道交通、风电叶片、体育器材等,其对碳纤维的迫切需求是降低其成本并提高其使用效率。
图3统计了2015年国内碳纤维在各分市场的应用情况[9]。
目前国产碳纤维主要应用在体育器材、建筑增材、电缆复合芯、模成型等低成本领域,而对于航空航天、汽车、风电等高增值领域尚未完全开发,未来有很大的发展空间。
目前,在高端碳纤维及其复合材料重点应用的航空航天领域,国产T300级碳纤维已在国内某型飞机的平尾、垂尾、襟副翼、扰流板等位置获得应用;中简科技发展有限公司的ZT7H 系列T700级碳纤维通过了XX工程A状态01~05架装机评审,各项性能满足指标要求,进入小批装机阶段;中航通用飞机有限责任公司研制的世界最大的水陆两栖飞机AG600(见图4)也采用了国产碳纤维预浸料制造其复合材料部件并取得适航认证[10];吉林精功碳纤维有限公司与中国航天科工集团公司合作将国产碳纤维复合材料应用于火箭发动机及其燃烧室筒体,与航天科技集团合作将国产碳纤维复合材料应用于某导弹防热套、口盖、包带、头锥等。
在汽车用复合材料领域,中航复合材料有限责任公司采用国产CCF-3级碳纤维,研制出12m全复合材料电动客车车身,如图5所示,该电动客车整车8.5t,同型号最轻,续航里程可达400km;与中国第一汽车集团公司、长安汽车股份有限公司、比亚迪股份有限公司等公司在汽车引擎盖、传动轴、轮毂、板簧、整体车身等项目上有着紧密合作,部分产品已完成试制并通过试验验证,如图6中所示,产品依次为传动轴、板簧、引擎盖、轮毂[11-13]。
国产碳纤维及其复合材料在其他领域中也得到了广泛应用。
国家“863”项目“国产碳纤维复合材料大型叶片关键技术”中,国产碳纤维产品应用于75m长的风力叶片主梁,已通过验收进入推广应用阶段[14];在体育器材领域应用,包括羽毛球拍、网球拍、自行车梁叉等均已得到应用[15]。
四、国内碳纤维产业分析按生产碳纤维的原料进行划分,碳纤维一般可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维等,目前国际市场上90%以上碳纤维以PAN基碳纤维为主。
PAN基碳纤维的制备流程从PAN原丝制备开始,通过丙烯腈(AN)单体聚合再通过湿法或干湿法纺丝制得PAN原丝;经过预氧化(200~300℃)、碳化(1 000~1 500℃)、石墨化(2 500~3 000℃)的过程,使线性的聚丙烯腈高分子产生氧化、热解、交联、环化等一系列化学反应并除去氢、氮、氧等原子形成石墨态的碳纤维;再通过气相或液相氧化等表面处理赋予纤维化学活性,施加上浆剂进行上浆处理来保护纤维并进一步提高与树脂的亲和性;最后收卷包装形成碳纤维单向带,或再通过编制形成碳纤维织物[15,16]。
PAN原丝及碳纤维的生产流程分别见图7和图8。
目前国内碳纤维企业多数可以自主或联合的方式完成原丝及碳纤维的生产,部分企业通过采购国外原丝来生产碳纤维。
相比于国外东丽、东邦、赫氏等碳纤维生产商,国内企业在价格和质量上均存在较大的差距。
在碳纤维的生产环节中,原丝制备质量、碳化/石墨化过程、上浆剂的选用等是影响碳纤维质量乃至成本的关键环节。
在原丝制备上,提高碳纤维的强度是碳纤维原丝的核心竞争力。
通过干喷湿纺的方式可以减少纤维表面的微观缺陷,提高纤维性能;并且干喷湿纺的纺丝速度可以达到湿法纺丝的5~7倍,可以大大降低碳纤维原丝成本[17]。
日本东丽生产的高性能碳纤维T800S、T100G,美国赫氏的IM7、IMA等高端型号均采用了喷湿纺工艺,并在波音B787、空客A350等大型客机上大量使用。
目前国内在干喷湿纺工艺上已有较大进展,但在产业化应用中仍存在产品性能未能达到预期、质量一致性差等问题;并且干喷湿纺工艺形成的原丝光滑,其与上浆剂、树脂基体的结合力也急需改善。
相信如果能够通过工艺改进解决以上问题国产碳纤维的产品竞争力会有较大的提升。
碳化/石墨化的过程也是碳纤维制备的关键环节。
从预氧化、碳化到石墨化的过程是一个热化学反应而非单纯的热处理,较高的过程温度(1 000~3 000℃)造成了巨大的能源消耗,目前国内碳化炉的加热方式主要是电阻加热马弗炉吹风热循环,热气流动方式、加热时间、热能能效等的不同导致不同碳化设备的能源消耗有较大的差异。
寻找优化的气流方式、碳化过程时间及温度、提高设备能效均可以降低能耗,从而降低碳纤维的成本。
并且,尝试新的碳化加热方式如等离子加热、微波加热等方式可以大幅减少碳化成本。
2016年美国RMX公司开发的等离子氧化炉对比传统氧化炉需停留80~120min,其仅需要25~35min即可,同时实现了75%能耗降低;Composites World在2016年报道日本东邦正在开发微波加热的碳化炉以及等离子表面处理技术;2017年1月,日本新能源和产业技术综合开发机构(NEDO)开发出一种较传统碳化工艺快10倍的技术,其核心是通过改进原丝,去除预氧化工艺直接碳化[18-20]。
上浆剂是影响碳纤维使用效果的关键因素,优质的上浆剂可以减少纤维表面缺陷并提高纤维与树脂的结合力。
国外碳纤维企业在上浆剂配方上对我国严格封锁,目前国内上浆剂的使用效果较国外有着较大的差距。
开发新型上浆剂提高界面质量是促进国产碳纤维应用的关键。
除了以上环节外,开发大丝束(24K以上)碳纤维产品、提高生产线产能利用率等也是降低碳纤维生产成本的方式,这些更需要下游复合材料制造商的认可与需求,由需求带动生产,才能带动碳纤维企业对新产品的开发与产能的释放。