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碳纤维生产技术及市场

文章出处:网络责任编辑:管理员人气:发表时间:2015-10-02【

尽管碳纤维均是由原料纤维经高温碳化而成,但根据基础原料不同可以分为三类:一是以聚丙烯腈(PAN)为原料高温碳化形成的碳纤维,为PAN基碳纤维;二是以沥青为原料高温碳化形成的碳纤维,为沥青基碳纤维。三是以粘胶纤维原料高温碳化形成的碳纤维,为粘胶基碳纤维。由于PAN基的碳纤维在强度上要优于沥青基、粘胶基碳纤维,在全世界的碳纤维生产中占有90%的比例,具有绝对性的压倒优势,因此以下所讨论的碳纤维行业均是指PAN基碳纤维。
 
    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23000-43000Mpa,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。碳纤维目前被划分为宇航级(Aerospace-grade)和工业级(Commercial-grade)两类,亦称为小丝束(Small-strand tow或Small tow)和大丝束(Large-strand tow或Large tow)。通常把48K以上的碳纤维称为大丝束碳纤维,包括60K、120K、360K和480K等。宇航级碳纤维初期以1K、3K、6K为主,逐渐发展为12K和24K,主要应用于国防军工和高技术以及体育休闲用品,像飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。工业级碳纤维应用于不同民用工业,包括纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。特别是近年来工业级碳纤维渗透进入传统宇航级碳纤维的应用领域,开始在体育休闲用品上获得一定程度的应用,估计这一趋势将进一步扩大发展
 
二、碳纤维技术含量高
 
    当生产PAN基碳纤维的时候,被称为“母体”的聚丙烯腈纤维首先要通过聚合和纺纱工艺加工聚丙烯腈而成。然后,将这些母体放入氧化炉中在200-300摄氏度进行氧化。另外,还要在碳化炉中,在温度为1000-2000摄氏度间进行碳化制成碳纤维。
 
    尽管碳纤维生产流程相对较短,但生产壁垒很高,其中碳纤维原丝的生产壁垒是难中之难,具体表现在碳纤维原丝的喷丝工艺、聚丙烯腈聚合工艺、丙烯腈与溶剂及引发剂的配比等。目前世界碳纤维技术主要掌握在日本的东丽公司、东邦Tenax集团和三菱人造丝集团手中,这3家企业技术严格保密,工艺难以外露,而其他碳纤维企业均是处于成长阶段,生产工艺在摸索中不断完善。我国碳纤维现阶段绝大部分依赖进口,但华皖碳纤维、少数科研院所及山东光威集团都力争在碳纤维生产方面获得突破。
 
    PAN原丝不仅影响碳纤维的质量,而且影响其产量和生产成本。换言之,只有高质量的原丝才能生产出高性能碳纤维,才能稳定生产,提高产量,降低成本。对于现代碳纤维生产线,要求喂入丝束数在100以上,且高速运行;如果原丝质量低劣、彼此性能差异较大,易在生产过程中产生毛丝缠结,甚至发生断丝,很难稳定生产,这样必然加大原丝的损耗。对于质量好的PAN原丝,用2.2kg左右的原丝可生产出1kg碳纤维;而质量差的原丝,则需2.5kg,甚至更高,这必然加大生产成本,而原丝成本占碳纤维生产成本的50%-65%。所以,PAN原丝质量不仅可左右碳纤维的性能,而且也制约着碳纤维的生产成本和市场竞争能力。
 
    碳纤维是由有机PAN纤维经过一系列热处理转化而来的。碳纤维属于脆性材料,拉伸强度等性能受控于各类缺陷。因此,在一定意义上讲,提高碳纤维的拉伸强度等性能就是采取技术措施减少缺陷数目、减小缺陷尺寸的过程。碳纤维的缺陷产生可大致分为两类:一类是先天性缺陷,由PAN原丝“遗传”给碳纤维;第二类是后天性缺陷,在预氧化、碳化等一系列后处理过程中产生。从缺陷在碳纤维中所处的位置,又可分为表面缺陷和内部缺陷两大类,其中表面缺陷占缺陷总数的90%左右,对拉伸强度的影响要比内部缺陷大得多。
 
 
 
三、碳纤维应用前景广阔
 
    随着航空航天领域对于碳纤维需求出现快速增长,风力发电等其他工业应用领域也出现快速增长,从而使碳纤维的需求幅度增加,全球碳纤维市场正以平均每年两位数的速度快速增长。1985-2005年世界聚丙烯腈基碳纤维的需求量见表1。预计2006年全球碳纤维需求量将达到2.5万吨/年,2010年则将达到3.2万吨/年,全球碳纤维的供给与需求将出现紧张局面。
 
一架空客A380需耗用30吨碳纤维、一架波音787飞机需耗用20多吨碳纤维,随着飞机制造业的快速发展,碳纤维在航空航天领域的应用明显增长。
 
    在制造导弹过程中,如果将导弹发动机和弹体等部分外壳换成碳纤维复合材料,不仅能减轻导弹的结构质量,还能提升导弹的射程能力。此外,碳纤维技术还能使导弹能承受5000摄氏度以上的高温。保证弹内辅助系统在高温下正常运转。
 
    碳纤维作为特大风力发电叶片的主要材料,需求也出现明显增长。随着发电单机功率的增大,要求叶片长度不断增加。对叶片来讲,刚度也是一个十分重要的指标。始于上世纪末的相关研究表明,碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性,当与树脂材料混合时,则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一,碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的2-3倍。因此,全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究,以求降低成本。VESTAS的V-90型风力机容量为3.0MW,叶片长44m,其样品试验采用了碳纤维制造;GAMESA在其直径为87米、90米叶轮的叶片制造中包含了碳纤维;NEG Micon正在制造碳纤维增强环氧树脂的40米叶片。这3家公司的碳纤维都采购自St.Louis-based Zoltek公司。德国叶片制造厂家Nordex Rotor开发了56m长的碳纤维叶片,他们认为叶片超过一定尺寸后,碳纤维叶片的制作成本并不比玻纤的高。
 
    碳纤维有耐腐蚀性,因此可以广泛应用于沿海钻井平台的构件,比如围栏等,而且可以减轻质量,便于现场安装,是碳纤维未来的巨大市场。
 
    碳纤维在汽车领域可以替代钢材,制造CNG瓶、保险杆、底盘等汽车配件,使汽车质量降低40%以上,从而节省燃油7%,符合有效节能的未来发展优势。
 
    在高速公路尤其是西部山区高速公路建设中,高路堤的设计施工一直存在边坡稳定和竖向沉降两个问题。按照传统施工,工程常采用增大放坡比例或建造挡土墙的办法,但前者必然占用大量的土地和增加填方工作量,后者又必然大大提高工程造价。京珠高速湖南段临长高速公路平江县境内有一路段平均填土高度达7.4米,加上地质条件差,易留下路基不均匀、导致沉降等安全隐患。针对该工程的难点,课题主要负责人、湖南大学土木工程学院院长尚守平教授采用现代加筋土技术提供一个经济简洁的施工方案。课题组大胆采用碳纤维增强材料应用于加筋土工程,给高速公路“强筋健体”,各项数据都表明该成果在试验路段应用成功。据课题鉴定组组长王永和教授介绍,湖大专家首次将碳纤维增强材料应用于高路堤建设,不但丰富了我国加筋土结构中筋材的类型,而且将这项新技术推广到西部高山丘陵区的公路建设中,产生了显著的经济效益。
 
    江苏远东集团和美国一家高科技公司联合开发的新型碳纤维复合芯导线获得成功。与传统钢芯铝绞线相比,碳纤维复合芯导线具有质量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、线损低、弛度小、与环境亲和等优点,可提高传输容量1倍,减少20%杆塔数,减少有色金属消耗,降低传输损耗。该技术推广将有利于我国构造安全、环保、高效节约型输电网络。
 
    四、碳纤维市场供应形势
 
    随着国际碳纤维的市场快速增长,日本的东丽公司、东邦Tenax集团和三菱人造丝集团等碳纤维生产巨头纷纷在2004年左右开始扩产,但由于碳纤维生产装置从设计、安装、试车到产生制品需要2-3年的时间,估计到2007年以后才能有产能扩张,因此在2008年之前国际碳纤维的供给仍然紧张。在2008年之后,碳纤维有望在海上钻井平台、汽车等其他工业领域获得积极拓展,碳纤维市场需求潜力仍然十分巨大。
 
    由于碳纤维过去主要应用在军工行业,因此一直是对华禁运物资,近年来随着碳纤维向民用工业转移,国际社会碳纤维的制造技术与产品对华出口有所松动,通用级碳纤维进口渠道已开通,但高性能碳纤维对我国依然限制,通用级碳纤维成套技术出口尚须出口国政府特批。日本政府规定,如果从日本出口此类产品,必须申请许可,进口者一方还必须提出“誓约书”,确认碳纤维没有转用于军事用途。

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