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中国的碳纤维复合材料之路

文章出处:网络责任编辑:管理员人气:发表时间:2015-10-02【

中化新网讯  提到碳纤维,人们能想到的是飞机、坦克、火箭……给人的是距离感和神秘感。然而,今年6月份,连云港神鹰碳纤维自行车有限责任公司对外展示的仅有6千克重的碳纤维自行车,仿佛瞬间缩短了碳纤维与大众的距离。人们惊讶地发现,不知觉中,碳纤维已经悄然步入了自己的日常生活。
 
    于是,人们迫切地想知道,碳纤维材料究竟有何奇特之处?中国的碳纤维产业现在是什么样子?
 
    从军工到民用—— 新兴应用领域崛起
 
    比人的头发丝还要细100倍的碳纤维,密度不到钢的1/4,但刚度却是钢的4倍,抗拉强度则是钢的7~9倍。碳纤维是目前世界上所有高性能纤维中比强度和比模量最高的纤维。它不仅具有优异的力学性能,还拥有让其它材料望尘莫及的耐高温能力。碳纤维是到目前为止在2000摄氏度高温条件下,唯一能够保持其强度的材料。由于兼具高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电和导热等性能,同时还具备纤维的柔软可加工性,碳纤维成为了当之无愧的新一代增强纤维之王。
 
    碳纤维发轫于军工领域。在20世纪70年代,碳纤维开始应用于军工。有着高卢雄鹰之称的法国“阵风”战斗机、美国主战坦克等率先采用了碳纤维复合材料。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。到本世纪初,碳纤维的身影已经随处可见。
 
    在能源领域,风电厂、输电网和采油田都能找到碳纤维的影子。全球风机装机容量的增长速度正在加快,而目前玻璃纤维材料的叶片已经不能满足尺寸上的需要,碳纤维是目前唯一能够满足大尺寸叶片要求的材料。此外,我国在宁夏、福建的局部地区已经应用了碳纤维电缆输电,不但输电能耗降低3%左右,而且减少了50%输电铁塔的使用,从而节省了大量的土地。碳纤维在油田深井采油方面的作用也越来越无可替代。“能深入2000米以下的采油杆就只有碳纤维可以做,别的材料根本做不了。”北京化工大学国家碳纤维工程技术研究中心徐樑华教授告诉CCIN记者。
 
    在交通领域,碳纤维充当了节能减排的先锋。水、陆、空的各种交通工具都可以通过它来“减肥瘦身”,从而达到降低能耗的目标。新型超大型客机——空中客车A380和梦幻波音787,均大量使用碳纤维或碳纤维增强复合材料作为其主要的结构材料。以A380为例,其首架飞机每位乘客的百千米油耗不到3升,几乎可以跟现在的小汽车媲美。而很多国家已经瞄准了碳纤维在汽车行业的巨大发展潜力。美国从2002年开始,由政府组织3个国家实验室、15所大学和50家材料供应商联合攻关,计划花10年的时间开发出节能环保型的新一代复合材料汽车,以保持其在世界的领先地位。在日本,日产汽车公司、本田汽车公司和东丽公司也在联手开发汽车车体用的新型碳纤维材料,目标是在2015年前开始量产。有业内专家告诉CCIN记者,预计到2015年前后,碳纤维必将会普及应用到各类汽车上。
 
    在建筑领域,碳纤维因其高强度的性能成为桥梁加固和建筑物抗震补强的理想材料。全国特种纤维信息中心主任罗益锋告诉CCIN记者,日本阪神大地震之后,日本大量使用碳纤维为建筑物加固,取得了良好效果。“汶川地震后,我国用于汶川地区桥梁和建筑物加固的碳纤维达到200吨。”徐樑华介绍说,我国拥有世界上最大的土木建筑市场,碳纤维作为加固材料的应用将迎来良好的市场机遇。
 
    据中投顾问产业研究中心相关统计数据显示,过去5年全世界碳纤维需求平均每年以大约13%的速度飞速增长。虽然2008年全球金融危机曾导致碳纤维需求一度下降,但是金融危机后碳纤维市场显现出持续升温的态势。有专家预测,到2010年底,全世界碳纤维需求量可达到3万吨,到2012年将达6万吨,到2018年需求量将达到10万吨。
 
    我国碳纤维市场同样呈现需求旺盛的局面。据统计数据显示,2001~2008年碳纤维消费量年均增长保持在21.7%左右。
 
    国产货还是老毛病 — — 质量不稳成本高
 
    面对旺盛的市场需求,从2002年开始,国内众多企业不惜砸下重金进入碳纤维领域,掀起了一股碳纤维产业的建设热潮。除吉林、山东、江苏、山西、辽宁、安徽、北京、上海等传统的碳纤维工程化研发基地外,现又逐步形成了河北、陕西等新兴的碳纤维工程化研发基地。到目前为止,国内有大小碳纤维企业20多家,合计产能约9000吨/年,约占世界总产能的14%。“目前的状况是大型民营企业和央企都在进入该领域,中石油、中石化、中国化工、中国建材、中钢集团等大型央企已介入,而且都是几十亿大手笔的投资。”罗益锋对CCIN记者说,“到今年年底国内千吨级的的碳纤维生产线将建成5家,到2011年底将建成13个,到2015年国内大小碳纤维企业总计将达到近40家。”
 
    作为我国著名碳纤维专家、多届全国人大代表,罗益锋对中国的碳纤维发展了如指掌。他向CCIN记者介绍说,碳纤维的品级,通常以拉伸强度指标作为衡量标准,T300抗拉强度应达到3.5GPa,T700则应达到4.9GPa,标号越高表示碳纤维性能越强。碳纤维长期以来被各国视为战略物资,发达国家一直对制造碳纤维的核心技术及关键设备严加封锁和管制,技术无从引进。我国的碳纤维技术完全是自主研发的。目前国内T300级碳纤维产业化基本进入成熟阶段,百吨级和千吨级碳纤维生产线已投入生产。2009年国内碳纤维产量达到1000吨以上。预计到2010年年底,国内所有碳纤维企业的总产量可望达到1500吨。“但是国内很多生产线运行和产品质量都不稳定,很多企业难以生产出高质量的碳纤维产品。高端碳纤维仍然是我们的软肋。”罗益锋遗憾地说。徐樑华也表示,T700级碳纤维还只是在进行中试放大,T800级碳纤维则在小试阶段,都尚未实现产业化。所以,目前我国碳纤维基本上处于供不应求的状态。2009年我国碳纤维进口总量为7200吨左右,大大超过了自身产量。
 
    高端碳纤维缺失,那低端又发展得如何?“现在我们很多企业是在靠亏损来竞争。举个例子,日本东丽公司的12K的T700碳纤维在中国的最低售价为160元/千克,相当于国内某大型厂家生产T300的成本。”罗益锋无奈地告诉CCIN记者。威海拓展纤维有限公司副总经理马全胜也表示,现在进口碳纤维反而比自己造的更便宜,成本高企普遍困扰着国内碳纤维企业。
 
    导致我国碳纤维性能低成本高的主要原因,专家们一致认为,实验室技术有了,但是产业化技术不行。徐樑华教授告诉CCIN记者,通过多年的自主创新研究,我国的科研院所已经掌握了T300级碳纤维的生产工艺技术,实验室和中试规模的产品质量很高,但是放到产业化规模上就有问题了,产不出高性能的产品。他表示,目前存在的问题主要有两方面,一是工艺和设备不配套。目前国内多数企业的生产工艺技术都是来自科研院所,而生产设备大多是引进国外的先进设备,这就需要企业在生产过程中进行协调,不断改进,才能生产出高质量的碳纤维。但恰恰很多企业自己并未真正掌握技术,生搬硬套,出了问题也不清楚问题究竟出在何处。二是企业不注重系统工程。碳纤维工艺体系十分复杂,环环相扣,每一个环节有问题都不可能生产出高质量的碳纤维产品。但是国内企业缺乏系统协调,往往看重自己的优势环节,而忽略了工艺链中的短板。“没有成熟的产业化技术,生产效率就上不去,规模也上不去,成本自然就高了。”徐樑华对CCIN记者说。
 
    罗益锋告诉CCIN记者,实验室的生产线只生产几百千克或者几吨,而工程上的生产线变成了生产几百吨几千吨,生产线放大以后很多细节问题都变化了,不相应地进行技术调整就生产不出高质量的碳纤维。“现在有的企业工程放大问题还没有解决,就上了千吨级的生产线,这是十分危险的。”罗益锋如是说。 123,123


日本东丽公司是全球领先的碳纤维生产商,其产品是不少国内外客户的首选。图为日前在北京举行的2010第十六届中国国际复合材料工业技术展览会上,一位美国采购商与东丽公司日本技术人员正洽谈碳纤维业务。                (本报记者 徐岩 摄)
 
    专家语重心长—— 产学结合,别扎堆
 
    罗益锋和徐樑华两位专家目前都在参加碳纤维产业“十二五”规划的制定。他们认为,如何将“低性能高成本”变成“高性能低成本”,这是国产碳纤维“十二五”的主攻方向。
 
    “产学研用相结合是碳纤维产业发展的必经之路。目前我们的技术基本来自于高校和科研院所,要依靠企业,才能把技术成果转化为生产力。”罗益锋非常肯定地说。据徐樑华介绍,由国家相关部门支持的碳纤维产业联盟将于本月底成立,目标就是要加强科研人员与企业的联系,为各碳纤维生产企业交流经验提供机会,让各企业携手推动我国碳纤维产业的发展。此外,北京化工大学已于今年在本科生中开设了全国第一个碳纤维专业试点课程,希望更多的人能投身到我国的碳纤维事业中来。
 
    企业,无疑是千条建议最终要落实的点。中复集团董事长张定金认为,实验室技术实现产业化并不是一个简单的放大过程,有的方法甚至是无法直接产业化扩大的。科研院所的科技成果不能产业化的重要原因是科技与经济脱节,导致相关设备制造不出来,许多工艺问题解决不了。碳纤维生产应以企业为主体来推动科技成果产业化。
 
    但专家们同时强调,必须减少目前的低水平重复建设项目。“虽然国内碳纤维企业有20多家,但是拥有原丝和碳化完整生产链的百吨级以上企业目前只有4家,其他企业要么规模小到仅有几十吨,要么就是只有碳化设备而没有生产原丝的能力。而国外的企业基本都是千吨级以上,像日本东丽、三菱丽阳等企业都达到万吨级,而且都是拥有完整生产链的。”徐樑华告诉CCIN记者。
 
    据罗益锋介绍,日本美国等老牌碳纤维强国已经意识到中国的T700和T800碳纤维迟早要产业化,于是他们已经把目光瞄准到新的技术高度,在技术上更上一层楼,抢占制高点。此外,他们也在千方百计地通过扩大规模改进工艺来降低成本,提高市场竞争力。现在印度、沙特和土耳其等新兴国家也加入了竞争的行列,这是国内企业以前没有意识到的。土耳其作为世界最大的腈纶生产基地,有良好的技术基础,他们起步虽晚但是产业化很快,碳纤维目前基本达到T400水平,预计年底可以达到T700的水平。而且他们的产品质量好、价格便宜,去年最低价格为每千克120元,预计年底将有500吨以上进入中国市场。

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