中国碳纤维发展历程

中国碳纤维发展历程

    碳纤维主要包括聚丙烯腈基碳纤维(PAN基碳纤维)与沥青基碳纤维两大类,前者应用更为广泛。PAN基碳纤维从20世纪60年代起步,经过30多年的发展和提高,到21世纪初,其制备技术与工艺基本成熟,市场被逐步打开。目前,日本东丽公司代表着高性能PAN基碳纤维研发的最高水平,开发出T300T1000的高强型和高强高模碳纤维及M40SM60J的高模型碳纤维。

    PAN碳纤维是军事工业用量大、使用面广、地位极为重要的关键性高性能纤维材料,是各类军用高强、高模、高强高模型复合材料的原料及技术基础。以碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构、功能一体化构件材料,在军机、导弹、运载火箭和卫星飞行器上发挥着不可替代的作用,是一种战略性新材料。因此,西方国家把碳纤维视为战略物资,长期对我国军品应用实行禁售、禁运政策,企图制约我国国防工业发展。

    碳纤维在民用领域也得到广泛应用,如文体休闲制品、建筑工程、风力发电、深井采油、高速交通等高新技术领域,其市场规模不断扩大。在经济高速发展中,我国碳纤维在工业应用领域也得到快速发展,每年需大量进口碳纤维。但西方国家对我国国防领域应用的碳纤维仍严格限制。

    六五以来,我国一直将碳纤维作为国家重点研发和实施科技产业化的攻关项目,先后投入高达几十亿元,然而,直至十五时期,我国的碳纤维研发仍然停留在实验室阶段,国内尚无百吨级工业化生产线,而西方国家长年对我国实行禁运政策和技术封锁却是日趋加紧。因此,制造出中国自己的碳纤维,已远不是企业发展的需要,而是整个国家和民族实现强盛的需要。

    十一五期间,国家高度重视,力争使我国碳纤维产业实现重大突破,将目标锁定于全面推进原丝、预氧化丝、碳纤、预浸布及复合材料等产业链一体化研发,实现千吨级产业化突破。其中,以T300型为主的碳纤维产业链力争突破3000/年的产业化规模;T700等高性能碳纤维产业链在中试研发基础上,实现500吨级产业化。

    由于缺少具有自主知识产权的技术支撑,国内企业目前尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。

    高性能碳纤维仍有待突破

    20年来,碳纤维增强复合材料受到世界各国的普遍重视,美国、欧洲各国、日本等工业发达国家均将其列入国家优先重点发展计划。我国的复合材料总产量已位居世界第三位,但与国外相比,技术上还有较大差距,主要体现在高性能原材料缺乏,严重制约着高性能碳纤维的发展。

    据国家自然科学基金委原工程与材料科学部常务副主任李克健介绍,近年来,中国碳纤维发展态势良好,截至2010年已有中钢集团吉林炭素股份有限公司、中复神鹰碳纤维有限责任公司、山西恒天纺织新纤维科技有限公司、中国石油股份有限公司吉林石化分公司、铁岭申和碳纤维材料有限公司、上海同砼碳纤维布有限公司、华皖碳纤维(集团)有限公司、嘉兴中宝碳纤维有限责任公司等30余家碳纤维行业重点企业从事碳纤维生产,在建拟建生产能力超过1万吨,规划建设能力超过4万吨,已形成碳纤维产业群。

    2011年吉林化纤集团有限公司建成投产了年产5000吨碳纤维原丝生产线,沈阳中恒1500吨碳纤维原丝生产线正在试运行。同时,业内专家指出,我国碳纤维发展也暴露了不少问题,如生产能耗大,质量低,稳定性差,成本高,由于缺少具有自主知识产权的技术支撑,国内企业目前尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术,产品缺乏国际竞争力等。为此,碳纤维老专家师昌绪建议,应利用“973”项目和碳纤维及国家复合材料工程实验室等研发平台,提高自主创新能力,加大质量监管,扩大应用领域。

    近年来,碳纤维得到了国家和社会高度重视,其重要性、紧迫性史无前例,同时该领域涉及高分子、无机和有机化学、材料科学等多学科高度交叉,化学工程、纤维成型、自控、机械等多工程技术高度集成,并且没有国外的样品和技术作为借鉴对象,只有充分的基础科学和应用技术支撑、先进的工业技术保障、严格的工艺和质量管理保证,才有可能取得高性能碳纤维的突破性进展。

    民用领域则是常规碳纤维应用最为广阔的天地,同时也是生产企业赢利的一个主攻方向。

    拓展应用领域延伸产业链

    据专家分析,一般用于航空航天、国防军工等高科技领域的碳纤维是高性能碳纤维,而民用领域则是常规碳纤维应用最为广阔的天地,同时也是生产企业赢利的一个主攻方向。

    航天器材料的未来发展方向是减轻结构重量,卫星结构重量占整星的重量由20%下降到10%。除了在设计上采用先进的设计方法,在材料的选择上要选用高性能的材料,如超高模碳纤维、超高模高强碳纤维和相应的树脂基体材料。十二五时期,我国重点发展的航天器材料包括超高模碳纤维复合材料、超高模高强碳纤维复合材料等,航天用复合材料将达到10万吨。

    在民用领域的应用必将为碳纤维生产企业带来另外的惊喜。2010年推出了仅6公斤的碳纤维自行车。这是国内第一家用完全拥有自主知识产权生产的碳纤维制造的自行车,其主要原料碳纤维全部由国内提供。据了解,这种碳纤维自行车已通过欧洲碳纤维自行车质量认证标准,价格仅为进口同类碳纤维自行车的三分之一。

    在国家新能源战略的指导下,大力发展大功率的新型风电叶片必将大有可为。碳纤维复合芯铝导线和杆塔研究和应用技术代表了当今国际输电领域新材料应用的发展方向,对我国电网建设和升级改造、提高电网的安全运行水平、提高电网的输送能力与效益,节能环保、节约土地资源,以及促进国产碳纤维的可持续发展,具有重大现实和战略意义。十二五期间,我国将形成年产高性能碳纤维复合芯50000千米的生产能力,在现有基础上提高输电线路10%以上的节能效果,推动我国电力技术进步和工业节能减排等。

    从国内看,未来通用飞机发展潜力是巨大的,2008~2017年需要通用飞机近5000架,约占全球总需求量的12%,其中有21%是公务机,其余79%是通勤、作业、培训和运动等用途的飞机。随着先进碳纤维复合材料及其加工技术的快速进步,在通用飞机制造领域,新型飞机设计开始越来越多地采用先进复合材料。

    据权威机构预测,2014年全球碳纤维产值可达24亿美元,而且高新性纤维及复合材料市场的中心将进一步向亚洲转移,中国高性能碳纤维复合材料产业前景更是不可估量。   

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