高性能碳纤维发展迅速应用领域不断拓展

发布于:2021-11-29 07:09:17

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高性能碳纤维发展迅速 应用领域不断拓展
■文/韦东远 中国科学技术发展战略研究院科技预测与评价研究所

碳纤维是利用各种有机纤维在 惰性气体中、高温状态下,以碳化方法 制得的含碳量在90%以上的纤维状碳 素材料。碳纤维是高性能纤维中具有 最高比强度和最高比模量的纤维(强 度高于钢铁材料lO倍,质量仅有铝材 的1/2),除具有优异的力学性能外,还 兼具低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦. 抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性 高,热膨胀系数低、光穿透性高、电磁 屏蔽性好等诸多优良性能,因而碳纤 维成为先进复合材料中最重要的增强 材料,是在国防军工和国民经济中均 具有举足轻重地位的战略原材料。

现商业化碳纤维产品,根据碳纤维原 丝类型可分为聚丙烯腈(PA N)基.沥 青基和粘胶基3种。当前,大多数碳纤 维是由PAN纤维制成,主要核心工艺 技术及产能集中于日本、英国、美国、法 国、韩国等少数发达国家以及我国台 湾地区。其中,日本东丽公司、帝人公司

和三菱丽阳公司,掌握着全球碳纤维 70%的市场份额。
在当前节能减排、应对气候变化的 大环境下,汽车、风力涡轮叶片及压力 容器等产品的新兴市场逐步兴起。尽管 受到全球金融危机的影响,高性能碳纤 维(T300-'I"1000)的需求仍在不断的

一.碳纤维发展的背景及动向 1.高性能碳纤维的需求依然强劲
20世纪60年代,日本最早开始出
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来源:美国商务部市场研究机构Bcc Inc.http://ww.bccPe啪rch.com/report/AVM058C.htmJ 图1 2007—2013年全球碳纤维产品市场份额
2010困 氟皿翻产业NO.4

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升温。据BCC统计数据(图1),全球航空 航天、工业、文体休闲用品等领域用碳 纤维的市场份额逐年递增。2008年,全 球碳纤维市场产值达18亿美元,2009年 已达19.2亿美元,2013年将达到23亿美 元,未来5年以来的年均复合增长率将 达5.02%。由此可见,全球未来碳纤维的 市场需求将出现新的跃升趋向。 2.高性能碳纤维的应用已逐步转 向民用
自20世纪70年代,碳纤维在航天 领域应用以来,其应用潜力日益受到各 国高度关注。随着碳纤维原丝工艺技 术的逐渐成熟,干喷湿纺和射频法新 工艺正逐步取代传统的干法和湿法纺

丝,碳纤维品质大大提升,价格显著下 降,极大的拓展了高性能碳纤维的应用 领域。据美国Lucitel(音译:路赛特)公 司*40年以来的研究数据(图2),在宇 航及工业领域碳纤维需求逐步下滑的 同时,文体休闲用品领域对高性能碳纤 维的需求却出现较为快速的增长。其 中,据有关数据显示,2009年全球碳纤 维的需求超过4.1万t,宇航、文体休闲 用品、其它工业等领域碳纤维总体的消
费比例分别接*25.2%,31.砒、43.4%,
碳纤维向民用转化的趋势愈发明显。
二.对我国的影响及启示
我国碳纤维研发始于20世纪60年

代,当时基于军工产品对碳纤维的需求 以及国外的严格技术封锁,我国碳纤 维基本上以自主研发为主。自1976年中 科院山西煤化所建成第一条国内PNA 基碳纤维中试生产线,并成功生产出高 强I型碳纤维(其产品性能基本达到日 本东丽公司T200)以来,我国碳纤维历 经了一段相对漫长的发展期。 1.碳纤维民用市场稳步增长
步入21世纪,我国碳纤维取得了长 足进展,特别是历经“九五”期间的科 技攻关项目、“十一五”期间国家八六三 计划及九七三计划的强有力支持,使 我国碳纤维的发展从以增加数量为 主转向大力发展高新技术纤维。伴随

来源:美国Lucitel公司http://www.1ucintel.com/marketcarbon.asp 图2碳纤维应用领域发展趋势
来源:中商情报罔http://www.a8kci.com 图3 2007—2013,匀Edp国碳纤维需求量及增长趋势
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我国航空航天、国防及文体休闲等领 域对碳纤维需求的日益成熟,汽车、医 疗器械,新能源等新兴市场对高性能 碳纤维需求逐渐显现。据中商情报网 数据,2009年我国对碳纤维的市场需 求达7630t,同比2008年的增长率达 15.3%;预计2012年碳纤维的市场需 求将超越万吨,未来市场需求增长的 趋势越来越显著。 2.碳纤维产业技术创新步伐加速
以往,我国碳纤维发展受计碳纤 维原丝质量、耐高温材料及大型高温 炉”两大关键技术因素的制约,一是碳 纤维原丝质量,我国的原丝在纯度、强 度以及均质化等方面与技术领先国家 差距较大,制约了碳纤维产品质量;二 是耐高温材料及大型高温炉,国产碳化
炉发热体一碳化硅服役温度最高
仅达1400℃,高温环境下的抗负荷强 度低,无法适应大尺寸工业规模化碳 化炉发展的需求,难以实现1500℃最 佳工艺。国外选用高纯石墨材料1800℃ 以上的高温碳化炉,却严格限制对我 国出口。为此,我国碳纤维核心技术和 产能与国外技术领先国家存在较大差 距,对国家安全构成了威胁,对尖端武 器的更新换代产生了影响,对高附加值 国民经济支柱产业的发展也将造成极 大影响。经过*40年的发展,我国碳纤 维已基本实现品质稳定的T300碳纤维 产业化。当前,我国已建成和拟在建的 碳纤维生产企业有11家,合计原丝生 产能力达7100t/a、碳纤维量产规模达 1560t/a;初步完成T700中试,并获得 小批量应用,T800,T1000已着手开始 相关研发,为未来T800的产业化以及 T1000的突破奠定了坚实的基础。
三.对策建议 鉴于碳纤维材料市场需求与日俱

增的发展态势以及发展中面临的关键 核心技术等问题,对未来碳纤维的发 展提出如下建议: 1.构建产业技术创新体系,提升 产业自主创新能力
鉴于我国碳纤维原丝制备核心技 术及设备缺乏、自主创新能力薄弱等重 大问题,必须以创新型企业、科研机构 与高等院校为基础,依据产业发展实际 情况,培育与扶持具有自主知识产权、自 主知识品牌和持续创新能力的企业、科 研院所,攻克当前制约产业发展的杨b 技术与装备,如高纯石墨材料的1800℃ 以上高温碳化炉,研发新型高效、低成 本、节能、环境友好的材料制备工艺,实 现重点突破与长远部署相结合、政府的 有序引导与市场发展相结合,形成以企 业为主体、市场为导向、产学研结合的 产业技术创新体系,进而提升我国碳纤 维产业整体的自主创新能力。 2.完善军民两用技术激励机制, 实现寓军于民
目前,高性能碳纤维女IT700、 T800H、T1000等均是宇航、大飞机 等领域的关键材料,虽然我国碳纤维 T300已达到产业化水*,但仍存在原 丝质量稳定性差、表面处理等诸多问 题,碳纤维T700也尚未实现产业化。因 此,在大力*酶咝阅芴枷宋 业发展之际,应逐步拓宽碳纤维的应 用范围,实现高性能碳纤维由军用产品 逐渐向民用转化,建立军用技术向民 用转化的价值链体系、相关政策环境 以及装备采购机制,引导企业通过技 术创新与产品创新,促进产业良性循环 发展,提升碳纤维产业竞争力。 3.制定我国碳纤维产业技术发展 路线图,以指导产业整体发展
根据全球碳纤维产业发展趋势与 我国现实国情,科学地制定我国碳纤维

产业技术发展路线图,主要包括明确 碳纤维产业技术发展方向、发展目标、 发展路径以及相应保障措施等;同时 针对碳纤维产业技术进步和产业发展 需求,对事关碳纤维产业技术发展的核 心、关键问题进行剖析,找准关键问题, 提出解决问题的科学,合理的思路及发 展路径,特别是提出解决制约我国碳纤 维产业发展的杨心技术与工艺、关键设 备等发展思路及发展路径。另外,应综 合考虑未来碳纤维市场因素对整体产 业发展的影响,特别是碳纤维未来民用 市场的需求,对未来我国碳纤维产业发 展将起到决定性作用。因此,应制定国 家层面的、科学的,清晰的路线图计划, 以指导我国未来碳纤维产业发展。 4.完善碳纤维产业技术*台体 系,产业基地,构建产业联盟, 提升产业陶际竞争力
联合企业、科研机构、高等院校,包 括国家重点实验室和国家工程技术研 究中心,通过建立共享机制和有效管理 机制,逐步完善国家级碳纤维产业研发 中心、检测中心、认证中心、信息中心和 培训中心,有效实现对资源的整合、共 享、完善和提高,并在此基础上共同搭 建包括共性技术、技术标准、技术信息、 技术数据、设备仪器、计算软件、技术咨 询,技术培训等的碳纤维产业技术服 务*台体系。通过优化资源配置,在具 有良好发展基础条件的特定区域,建立 碳纤维产业发展基地的基础上,以有实 力、有创新能力的企业为主体,创建碳 纤维产业技术创新联盟”,联合开展核 心技术研发和产业化*适蓖晟撇 制定碳纤维产业技术规范、产业技术标 准,规范碳纤维产业市场及促进企业间 的合理、有序竞争,从而进一步* 加速我国碳纤维产业的发展,提升应对 国际竞争的能力。nlom

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高性能碳纤维发展迅速应用领域不断拓展

作者: 作者单位: 刊名:
英文刊名: 年,卷(期):

韦东远 中国科学技术发展战略研究院科技预测与评价研究所
新材料产业 ADVANCED MATERIALS INDUSTRY 2010(4)

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