碳纤维的应用领域及前景

　                          carbon fibre application   

　作者(writer)：杨成刚    Gang chengyang 

　摘要（Abrtrant）：                

　1   碳纤维的成分结构

　2   碳纤维的应用领域

　3   碳纤维的发展前景

　关键词（Keywords）

     乱层石墨 复合材料 关键材料  军工业 民用行业 潜力极大

  正文（Text）

　　碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。 　　碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。 　　综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。  碳纤维编织布

　　碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。  碳纤维

1994年至2002年左右，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。现在国内已经有使用长纤碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处。同时，碳纤维发热产品，碳纤维采暖产品，碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭。 　　碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。以前，以美国为首的巴黎统筹委员会(COCOM)， 对当时的社会主义国家实行禁运封锁，1994年3月，COCOM虽然已解散，但禁运封锁的阴影仍笼罩在上空，先进的碳纤维技术仍引不进来，特别是高性能PAN基原丝技术，即使我国进入WTO，形势也不会发生大的变化。因此，除了国人继续自力更生发展碳纤维工业外，别无其它选择。因此，国外尤其是碳纤维生产技术领先的日韩等国对中国的碳纤维材料及制品的出口一直保持相当谨慎的态度，只有为数很少的中国企业能够与其建立合作关系，拥有其产品的进口渠道。 　　碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天等领域。

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　　在人们印象中，碳纤维更多地与航空航天、军工产品及国防建设联系在一 起，由于投资门槛高、技术难度大，特别是日本东丽 30 年"修得正果"的经历， 一度让技术与资金均相对薄弱的中国化纤企业望而却步，导致了中国碳纤维长 期严重依赖进口的状况。 然而， 2004 年以来国际市场上出现以碳纤维为代表的高性能纤维供不应求 的局面，已不仅仅影响到我国航空航天、军工及国防事业的建设，而且使国内 正在兴起的体育用品、风力发电、大型客机等民用行业的发展受到严重制约， 迫使我国加大对碳纤维等主要高性能纤维自主研发的投入，从而出现了开发碳 纤维等高性能纤维的热潮，并已取得阶段性成果。目前，我国碳纤维产业化已 进入第二轮发展阶段，由于第一阶段的技术与人才的储备，以及目前国家 的大力支持，使打破日、美等发达国家的技术垄断，实现碳纤维国产化，不再 是遥不可及的神话。 由军工向民用领域延伸 中国化纤工业协会理事长郑植艺就"碳纤维热源自民用还是军工"这一问 题接受记者采访时特别指出："不可否认，军用领域对碳纤维国产化的需求相 当紧迫，但从目前发展趋势看，我国加快碳纤维国产化进程在更大程度上是来 自民用需求的强劲拉动。" 记者在采访中了解到，碳纤维主要用于和树脂、金属、陶瓷及碳素等基体 复合制作结构材料。由于这种复合材料具有耐高温、抗腐蚀以及较好的抗热冲 击性和化学稳定性的优点，而且热膨胀系数低，轻质、难熔，因此，成为现代 军工产品理想的基础性材料。这种高性能的军工产品原材料，价格昂贵，在民 用领域堪称"奢侈品"。然而，正是这种奢侈品，在人们对生活质量要求越来越 高的今天，被广泛应用到了民用产品的生产领域。 全国特种合成纤维信息中心主任罗益锋对记者说："碳纤维复合材料可用 来制造航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料，另外还大量用于高超音速飞机刹 车片的生产， 可制作发热元件和机械紧固件、 涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。 20 世纪 90 年代后，碳纤维复合材料的应用开始由军工领域向民用领域渗透， 汽车、民用客机、建筑、桥梁及文体用品的生产开始使用碳纤维复合材料。特 别是"十一五"期间，我国将批量生产大型客机和大型船舶，必将进一步促进碳 纤维、高强高模纤维及复合材料的快速发展和国产化进程。" 中国化纤工业协会副理事长叶永茂深感加快碳纤维国产化的紧迫性，他谈 到，由于碳纤维的市场需求特别是民用市场的需求迅速增长，不断驱动碳纤维 研发快速升温，而在目前我国碳纤维产业化还未达到成熟阶段的时候，日、美 等发达国家从技术到产品对我国采取的是封锁和的态度，因而迫使我们必 须依靠自己的力量在短期内实现碳纤维国产化的有效突破。这一点已引起国家 的高度重视， 因此， 碳纤维被列入"十一五"我国化纤高新技术纤维发展的重点， 并已得到了国债项目等相关的大力支持。叶永茂告诉记者，目前，碳纤维 的市场需求在北美、欧洲、亚洲基本上形成鼎足之势，应用领域也已覆盖了宇 航及军工、 文体休闲用品、 其他工业等领域， 总体消费比例分别为 25.2%、 31.4% 和 43.4%，不同地区各有侧重。 民用市场发展潜力巨大 据记者了解，在文体用品方面，目前碳纤维材料已从钓鱼杆和高尔夫球杆 推广到网球拍、羽毛球拍、冰雪运动器材、水上运动器材等多方面，需求量稳 步、较快增长，其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼杆是体育用品用碳纤维复合材 料的三大支柱产品，约占该类产品的 80%。 一般产业对碳纤维材料的应用增长得比较迅速，包括基础设施的修复、更 新和加固，沿海油气田、深海油田的钻井平台、管道和缆绳等新能源项目开发， 以及风力发电机的螺旋桨和风叶，汽车的刹车系统、转动轴、车身以及环保汽 车用的压缩天然气瓶，通信、广播、地球观测、空间探测以及各种飞行器的高 精度天线等电子领域的应用。"由此可见，较快增长的一般产业需求将成为碳 纤维新的主要应用领域。"专家们对此已有共识。 近几年来，国外著名企业纷纷来我国建立碳纤维复合制品企业，从国外进 口碳纤维用于生产下游产品，在很大程度上促进了我国碳纤维市场的开发，使 碳纤维市场需求量迅猛上升。例如，目前在我国建立的合资或外商独资碳纤维 体育用品厂家已有 60 余家，钓鱼杆生产企业则达到了 50 余家。 尽管国内 PAN 基碳纤维材料加工业已初具规模，具备了一定的技术基础和 市场开发能力，市场需求比较旺盛，但目前碳纤维的生产远远不能满足市场需 求，仍需大量进口。此外，考虑到我国碳纤维的应用还在不断发展，许多用途 还有待开发，如碳纤维在工程修补增强方面、飞机和汽车刹车片、汽车和其他 机械零部件的应用以及电子设备套壳、集装箱、医疗器械、深海勘探和新能源 的开发等方面，都将成为我国碳纤维未来潜在消费市场，对碳纤维的需求量将 不断加大。因此，多位专家在接受记者采访时都作了这样一个断言："未来我 国碳纤维的市场需求特别是民用市场需求的强劲增长，使碳纤维在中国的发展 前景广阔，潜力极大

　　我国碳纤维产业发展方兴未艾。碳纤维属于国际高端新材料产业， 除了应用至传统的航空航天领 域外，汽车、风力涡轮叶片及压力容器等市场对碳纤维的需求也在不 断增加，2010 年全球碳纤维需求量将达到 3.5 万吨左右。目前， 世界碳纤维中 PAN 基碳纤维占各种碳纤维材料的 80%以上， 日本东丽公司、 东邦人造丝公司和三菱人造丝公司作为世界碳纤维生 产的龙头企业，三者的总产能则占了世界总产能的 78%，处于绝对垄 断地位。而我国碳纤维的生产和使用尚处于起步阶段，碳纤维产量很 低，国内碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的 0.4%左右， 国内用量的 90%以上靠进口。据不完全统计，目前拟建和在建的碳纤 维生产企业有 11 家，合计生产能力为原丝 7100 吨/年、碳纤维 1560 吨/年，其中在建企业为 4 家，合计生产能力为原丝 1100 吨/年、碳 纤维 470 吨/年。目前从事碳纤维行业的规模公司主要有华皖碳纤维 公司、山西恒天纺织公司，现国内原丝生产规模约 875 吨/年，碳纤 维生产规模约 410 吨/年。而且主要是低性能产品，产品以 1K、3K 为 主，生产的原丝经氧化、碳化后强度、模量则达日本 T300 的水平， 没有形成规模化产业。 我国属于碳纤维消费大国。据统计，1996-2002 年国内碳纤维消 费年均增长超过 20%。2002 年中国碳纤维需求量增幅最大，与 2001 年相比增加了 75.7%，需求量增加了 9t。中国碳纤维需求自 2002 后呈现快速增长趋势。 2003 年中国碳纤维市场需求量约 2500t， 2005 年中国碳纤维市场需求量增加到 3000t、 2008 年达 5000t/a 左右， 2010 年可达到 6000t 以上。每年须进口约 5000t 碳纤维产品，市场缺口进 一步拉大。不难看出，我国碳纤维复合材料市场潜力巨大，碳纤维产 业发展前景广阔。碳纤维应用领域延伸度广且应用率高。 碳纤维在航空航天领域的应用已相当广泛， 碳纤维在航空航天领域的应用已相当广泛， 航空航天领域的应用已相当广泛 当今更有向高度应用 率发展之势。 率发展之势。新型超大型客机——空中客车 A380 和波音 787，均大 量使用环氧树脂浸渍碳纤维或碳纤维增强塑料（CFRP）作为主要的结 构材料。 碳纤维复合材料约占 A380 飞机 35 吨结构材料中的 20%以上， 包括翼盒、机尾组件以及压舱壁；波音 787 中结构材料有近 50% 需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料，包括主机翼和机身。 与此同时， 碳纤维复合材料将在新一代喷气式客机 A350XWB 中大量用 于主机翼和机身材料，该机型计划于 2013 年投入运营。碳纤维在中 小型喷气客机中的需求也将快速增长， 例如三菱重工计划利用碳纤维 复合材料制作新一代支线喷气客机 MRJ 主机翼和尾部组件， 该机型预 计在 2013 年进入市场。 风机叶片是碳纤维第二大应用市场。 风机叶片是碳纤维第二大应用市场。风能发电成本低廉，已成为 是碳纤维第二大应用市场 人类开发新能源的重要领域。 未来 5 年风能发电的市场需求将以每年 15%～20%的速度增长。风电应用将推动大丝束（24K）碳纤维产量的 增长。全球对清洁能源的需求还将促进终端产品制造商的持续投资。 2010 年以后，碳纤维在风机叶片中的应用将成为继航空航天后的第 二大应用，欧洲和亚洲在这一领域领先于美国。全球风机装机容量的 增长速度正在加快， 高碳纤维含量的长叶片制成的大容量风机将成为 主要趋势。 碳纤维在汽车行业的需求前景也较为乐观。 碳纤维在汽车行业的需求前景也较为乐观。日产汽车、本田汽车 和东丽公司将联手开发汽车车体用的新型碳纤维材料。 合作企业还包 括三菱丽阳和东洋纺织，目标是在 2015 年前开始量产，使车体较使 用钢材者轻 40%。日本亦支持该项计划，计划未来 5 年投资 1850 万美元，希望在全球开发环保车辆的趋势中取得领先地位。在碳纤维 成形隔热材料领域市场占有率达 50%的日本吴羽公司已经宣布，在 2012 年以前分阶段增加在中国的隔热材料设备，相关项目投产后将 比现在产能扩大 3 倍左右，并将使销售额增加 1 倍，约达到 120 亿日 元。 碳纤维已步入再循环利用轨道。 碳纤维已步入再循环利用轨道。碳纤维制品多用于特殊领域，其 循环利用轨道 使用寿命和更新周期均有严格要求，大量废弃的碳纤维产品亟待处 理。据日本三菱人造丝公司估计，目前全球废弃的 CFRP 约 1 万吨， 2010 年末将达 2 万吨。从优化环境着手，发达国家已实施碳纤维的 回收、再循环生产。德国 Thuringian（TITK）研究所开发的新工艺， 不采用撕切处理就能从废弃碳纤维纺织品中获取长度≥20mm 的碳纤 维；西班牙 INASMET 运输安全机构经过两年的研究试验，采用化学和 热解处理技术开发了 CF――环氧树脂复合材料回收再利用新途径， 其回收产品可用于一般的 CFRP。日本东丽公司、帝人公司（日本东 京）和三菱丽阳公司计划联手大规模生产循环碳纤维，以促进高强轻 质材料的回收利用。这 3 家企业共同掌握着全球碳纤维 70%的市场份 额。他们已于 2009 年建立了一个合资企业，从飞机和其他设备中回 收和循环利用使用过的碳纤维。他们还计划邀请其他碳纤维制造商， 如三菱塑料公司和吴羽公司参与合作。 3、碳纤维的价格现状和趋向 分析碳纤维的价格现状和趋向，可借用如下推断模式：以年产 1000 吨碳纤维规模，4 个亿的固定资产投入（设备进口），每公斤 碳纤维耗 2.2 公斤原丝计算， 以全年丙烯腈 1.5 万元/吨的销售价格， 可以粗略测算出碳纤维原丝和碳纤维的生产成本分别为 4.3 万元/ 吨、16 万元/吨。在 2003 年之后全球碳纤维供给紧张的背景下，碳纤维的售价逐 年上升，以民用碳纤维(T300、12K)为例，2003 年之前的最低价格为 10 万元/吨，截至 2005 年，民用碳纤维(T300、12K)的销售价格上涨 到了 60 万元/吨，个别公司的销售价格达到了 80 万元/吨。自 2004 年以来，国际市场碳纤维价格已上涨超过 100%。 碳纤维价格走势图 单位：美元/公斤） 图 1-3 碳纤维价格走势图（ 单位：美元/公斤） 据悉，2008 年民用级别的碳纤维市场售价 30 万－50 万元／吨， 而军工级别的碳纤维市场售价可达 200 万－400 万元／吨。进入到 2009 年，全球碳纤维产业受金融危机影响在行业大幅增产，但需求 放缓的背景下价格出现了快速下滑，全球主要碳纤维厂商 2009 年都 出现较大亏损，纷纷调整和延缓了原有的扩产计划，国内碳纤维价距 高点价格回落了一半。当前进口碳纤维的价格每公斤在 100-130 元， 而按照原材料丙烯腈价格未涨的情况下国内每公斤碳纤维的成本在 160 元，国内企业基本亏损，不具备竞争力。但军用碳纤维的价格没有降低，仍维持在 300 元/公斤。 因此研究新的技术发展碳纤维生产技术，降低碳纤维生产成本是目前最重要的问题。

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参考文献;中国纺织报