碳纤维发展现状及其发展趋势

碳纤维发展现状及其发展趋势

摘要:碳纤维已经发展成为重要的现代工业材料之一,应用领域非常广泛。文章阐述了目前国内外碳纤维发展状况和我国碳纤维存在的一些主要问题,重点介绍了碳纤维在工业、土木建筑和交通运输等领域的应用状况及其碳纤维复合材料产品的发展并且讨论了碳纤维的发展趋势。

关键词:碳纤维;发展现状; 应用;发展趋势

 

引言

      碳纤维是纤维状的碳素材料, 含碳量在90%以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、 高温状态下碳化而制得。碳纤维具有十分优异的力学性能, 是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维,特别是在2000以上的高温惰性环境中,碳材料是唯一强度不下降的物质,是其他主要结构材料(金属及其合金)所无法比拟的。 除了优异的力学性能外,碳纤维还兼具其他多种优良性能, 如低密度、 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,非磁体但有电磁屏蔽性等。

      作为高性能纤维的一种, 碳纤维既有碳材料的固有特性, 又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是先进复合材料最重要的增强材料,已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用,从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此,碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表,为世人所瞩目。 碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面, 发挥着非常重要的作用,对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义,对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。

我国碳纤维发展现状

      20世纪70年代中期开始,经过30余年的发展,我国碳纤维从无到有,从研制到生产取得了一定的成绩,但总的来说,我国碳纤维的研制与生产水平还较低,目前仅相当于国外20 世纪70 年代中、末期水平4

PAN 基碳纤维

      我国PAN 基碳纤维的开发研制已有30 多年历史。20世纪60 年代初,吉林应用化学研究所已着手于PAN基碳纤维的研究,70 年代初已完成连续化中试装置。其后,上海合成纤维研究所、中国科学院山西煤化所等单位也开展研制工作,并于80 年代中期通过了中试。我国碳纤维生产先后建成了从年产几百千克到年产几吨的小试装置和几十吨的中试生产装置,起步不晚,但发展缓慢,总生产能力还不及发达国家或地区的一家公司见表1.2[5,6]

 

1.2  世界各大PAN基碳纤维公司2002-2004年的产能  t/a

 

生产公司

生产能力

日本

Toray

9100(小丝束)

日本

Toho

5600(小丝束)

日本

Mitsubishirayon

4700(小丝束)

美国

Hexcel

2000(小丝束)

英国

Amoco

1900(小丝束)

中国台湾

台湾工程塑料公司

1750(小丝束)

美国

AKZO-Fortafil

3500(大丝束)

美国

Zoltek

1800(大丝束)

美国

Aldila

1000(大丝束)

德国

SGL

1900(大丝束)

 

       2002年国内PAN基碳纤维需求量约为2 235 t ,其中体育休闲领域需求量为1 935 t,占87 %;一般产业需求量为250 t,占11 %;军工领域需求量为50 t,仅占2 %4 2003 3 10 日,英国AMEC / ACE(艾麦克)公司与中国安徽华皖碳纤维有限公司关于年产量分别为PAN原丝500 t、碳纤维200 t(均以12 K 计算)的技术转让合同在上海正式签约,预期2005年初本项目投产,这将极大地推动我国碳纤维的发展。

沥青基碳纤维

      世界沥青基碳纤维的生产能力较小,国内沥青基碳纤维的研究和开发较早,但在开发、生产及应用方面与国外相比有较大的差距见表1.3

3  2002—2004年世界沥青基碳纤维的生产厂家及产能[1,6]

品种

国家或公司

产能/t·a-1

强度/MPa

模量/GPa

通用型碳纤维

中国

450

686

41

Donac

300

686

34

Kureha

900

590~980

30~33

Niffobo

开发中

657~980

40~49

Noppon

开发中

784~980

39~49

高性能碳纤维

Amoco

140~230

1300~2400

170~960

Mitsubishi Chem

500

1800~3300

176~735

Nippon Sekiyu

50

3230~3300

392~686

Donac

开发中

1800~3000

140~600

Kureha

开发中

1800~4000

150~400

      20世纪70年代初,上海焦化厂以煤焦油为原料成功地制取了碳纤维,但因试验结果不稳定,产品质量不高而中止。1979 年,中国科学院山西煤化所开始研制沥青基碳纤维,1985 年通过小试2。在此基础上,冶金部在烟台筹建了新材料研究所,生产通用级沥青碳纤维,规模70 100 t / a,主要做飞机的刹车片。90年代初扩大到150 t / a。但由于设备未过关,又无改造资金,处于停产状态。鞍山东亚精细化工有限公司投资1.2亿元人民币于90年代初从美国Ashland(阿什兰德)石油公司引进了全套生产设备,生产能力为200 t / a1994年动工建设,1995 年投产。近年来,我国碳纤维的产量虽有增加,但与不断增长的需求相比仍有较大的差距。

      我国沥青基碳纤维与PAN 基碳纤维相比发展较慢,但由于生产成本较低,价格约为PAN基碳纤维的1 / 3 1 / 4,因此沥青基碳纤维在民用及建筑领域的应用前景较为广阔,这将为我国沥青基碳纤维的发展提供良好的机遇。

国产碳纤维存在的主要问题

      我国碳纤维虽然经过了一段时期的发展,但是与国外的技术水平还存在一定的差距和一些在竞争中不容忽视的问题,主要有以下几个方面。

      1 原丝质量与国外比还存在差距7。由于国产碳原丝在生产过程中大部分采用民用腈纶原液,杂质含量较高,造成碳纤维性能不稳定,离散系数较大。

      2)大部分国产碳纤维未经过表面处理,制成复合材料层间剪切强度偏低1。没有经过表面处理的国产碳纤维不能用作高性能要求的先进复合材料增强体,也不能在航空、航天等国防部门中用来制作主承力构件。

      3)尚未形成经济规模,价格太贵,成本组成不合理。国产碳纤维目前售价太高,远比国外进口的价格要高。我国碳纤维之所以价格昂贵,有很多不合理因素。如成本结构存在问题,据我国某碳纤维厂对碳纤维成本的粗略统计,原丝费用约占碳纤维成本的25 %,而车间费用约占碳纤维成本的44 %

      4)品种单一、规格单一,碳纤维来源大部分依赖于进口1,7。根据不同行业、不同产品、不同零部件的不同需求,希望能采用不同类别、不同品种、不同规格的碳纤维。除了供结构材料使用的碳纤维,还希望有供功能材料使用的碳纤维,而我国目前碳纤维只有相当于T 300的一个品种。

碳纤维的应用状况
碳纤维主要应用领域

      碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热等特性,属典型的高新技术产品,表2.1 是几种碳纤维材料的性能比较8。主要用于制备先进复合材料(ACM),已广泛应用于宇航、体育用品领域、工业领域、交通运输领域及土木建筑领域。鉴于近年军事工业上应用的萎缩、碳纤维成本的降低及先进低成本制造复合材料技术的突破,碳纤维复合材料在建筑、工业、交通运输等方面的应用便成为研究开发的热点,并取得了一定的突破性进展9  11

 

2.1  几种碳纤维材料性能比较

 

拉伸强度

拉伸模量

密度

比模量

比强度

产地

/MPa

/GPa

/g·cm-3

/109·cm

/107·cm

IM6

5200

276

1.70

1.62

3.06

美国

IM7

5379

276

1.80

1.53

3.00

美国

IM8

5447

303

1.70

1.78

3.20

美国

IM9

6343

290

2.00

1.45

3.17

美国

P30

4000

210

1.76

1.19

2.27

日本

T700

4800

230

1.80

1.28

2.67

日本

T800

5490

294

1.80

1.62

3.03

日本

T1000

7060

 

 

 

 

日本

 

宇航领域

      在宇航领域,由于其重量轻,刚性、尺寸稳定性和导热性好,高模量碳纤维很早便应用于人造卫星中。碳纤维在宇航上的应用主要在固体火箭发动机壳体和喷管上。2002年,在宇航领域中碳纤维的需求量大约是4 000 t,其应用分布:北美为2 500 t,高达62.5 %;欧洲和亚洲分别为1 260 t240 t,分别占26.1 %4.2 %

土木建筑领域

      随着碳纤维成本的降低与复合材料制造技术的发展,土木建筑领域成为碳纤维复合材料应用的新市场。利用碳纤维复合材料棒材替代元钢,利用碳纤维复合材料层板加固或修复桥梁及建筑物,及利用碳纤维增强混凝土等将会有很大的发展。目前在土木建筑领域的应用主要是:复合材料棒材、纤维增强胶接层板、碳纤维增强混凝土、碳纤维复合材料片等。

工业领域

      近几年来碳纤维在宇航领域中应用萎缩,在工业应用的市场不断看好。与宇航和体育休闲用品相比,工业应用对于碳纤维的需求在不断增长。基础设施、油气开采、压力容器、复合材料辊子、航海构件等应用不断开发,使碳纤维在这个领域的应用持续增长。欧洲和日本在这方面的开发处于领先地位,因此,用于工业应用碳纤维的需求量欧洲最大,亚洲其次。据报导,制备注射和模压用的粒料消耗的碳纤维高达2 700 t,主要用于生产手机、计算机、办公设施等,在电磁屏蔽和静电消散方面的应用也不断增长。

 交通运输领域

      在交通领域,碳纤维扩大应用的最大希望在于汽车业。国外的各大主要汽车厂家,均竞相开发CFRP(碳纤维复合材料)化的节能、环保和安全性汽车。新一代的汽车要求大大地降低能耗,最重要的措施之一就是减轻汽车质量,用一般钢材是不可能实现的,因此采用复合材料是最有效的办法。设计表明,一辆典型小车的碳纤维用量可以超过113 kg。在这一领域仅仅为了满足北美的需求,碳纤维的需求量就达现有世界碳纤维总生产能力的100倍。因此碳纤维复合材料用作汽车材料,将具有广阔的发展前景10。目前碳纤维复合材料已获得应用或正在研究开发应用的领域主要包括:飞轮、压缩天然气贮罐、燃气透平部件、刹车装置,其它部件如蓄电池、活塞、传动轴、弹翼、大梁等。在载重汽车上使用碳纤维复合材料后,每辆可降低质量200 kg左右11

 能源领域

      目前,电阻率在 103  102 W·cm的碳纤维纸属高性能碳纤维纸,通常称之高导电率碳纤维纸,在新能源和电化学领域正在广泛推广应用12。科学家经过多种探索,确认高性能碳纤维纸能满足绿色能源 —— 燃料电池的要求,而且和原碳材料电极相比,还有体积小、质量轻、效率高等优点。现在,用高性能碳纤维纸制作质子交换膜 —— 燃料电池(PEMFC)的气体扩散层电极材料,已经得到各燃料电池制造商的认同,从而得到很快发展。能源和贮能方面,像风力发电叶片、飞轮、电池等应用也不断扩大。

体育休闲领域

      亚洲用于生产体育休闲用品碳纤维的消耗量是世界上最高的。2002年在体育休闲用品的4 990 t碳纤维中,亚洲占首位达3 100 t,占62.2 %;其次是北美,为1 120t,占22.4 %;欧洲最少,为770 t,占15.4 %13 在亚洲特别是中国(包括台湾省)正越来越多地生产管状复合材料件,像高尔夫球杆和网球拍等,其它还包括箭杆、钓鱼竿、自行车架、船桨、滑雪工具、棒球棒、公路赛车、竞技墙等体育用品。

碳纤维及其复合材料的产品

碳纤维加固补强织物

      上海市纺织科学研究院研制的碳纤维加固补强织物是一种高科技含量的产品, 该纤维采用国外进口高性能碳纤维加工而成, 具有高强高效、耐久耐腐、质量轻等特点。该补强织物具有以下性能:面密度为300 g/m2, 厚度为0.3 mm, 弹性模量为2.1 ×105 MPa, 拉伸强度≥3 300 MPa, 伸长率≥1.6 %, 密度1.80 g/cm3 幅宽30~150 cm。补强技术是用配套树脂将碳纤维织物粘贴于混凝土结构表面, 起到结构补强及抗震加固作用, 广泛用于梁、柱、板、墙等补强, 也可用于桥梁、隧道、水坝等其他土木工程的加固。

 新型活性碳纤维杀菌效果神奇

      中国台湾地区逢甲大学材料科学研究所成功研发出一种新型活性碳纤维。经测试发现, 使用一层这种纤维布, 可以百分之百地过滤和抵挡绿脓杆菌和大肠杆菌, 对肺炎杆菌的减菌率在99.99 %以上。放置一年后, 杀菌效果依然不减。逢甲大学科学家指出, 以前的活性碳纤维布是让细菌吸附固定在纤维上, 经过几个小时, 碳纤维便能发挥抑菌效果。新一代活性碳纤维布的化学特性可以让细菌如同踩到地雷瞬间被杀死。新活性碳纤维布的独特之处还在于可以重复清洗100 次以上, 寿命长达3 5 , 用来做口罩, 比用即弃的N95 口罩更好。这种纤维布对其他细菌的抑制和杀灭功能尚待测试。据悉, 目前全球仅日本、俄罗斯、英国、中国大陆及中国台湾地区拥有活性碳纤维的制造技术。

新型碳纤维复合芯导线

      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, 产品己上市。据介绍, 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 , 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。

 碳纤维导电面料

      俄罗斯柴可夫斯基纺织股份公司是专业防护服生产企业, 其产品用于食品医药业、建筑交通业、石化天然气行业的劳动防护。该公司最近开发出两种新型含碳丝导电面料, 这两种面料分别是弗尼克斯热防护弗尼克斯舒适”, 前者成分50 %为棉、50 %为耐热化纤, 每平方米质量为330 g; 后者为棉涤面料, 每平方米为280 g。这两种面料专用于石油、天然气行业工作服, 加入了碳纤维作为导电纤维, 而国际上同类产品通常加入金属丝作为导电纤维。这两种面料还都加有CI- BA公司的TEFLON PYROVATEX 涂层。

碳纤维软质复合材料

      日本创和纺织与东丽合纤产业集群碳纤维分科会携手开发的利用碳纤维织物与树脂的复合材料“Carbon Cloth Soft Composite” 的碳纤维系列产品Carbon ClubTM (零钱夹、钥匙圈、印章盒、皮带等日用品、小杂物等) 上市。今后, 除了日用品、小饰品之外, 产品还将拓展至间隔材料、挂毯、墙壁装饰材料、百叶窗、窗帘等室内装饰材料领域。“Carbon Cloth Soft Composite”布比铁结实, 是碳纤维与耐久性良好的高柔软可挠性树脂的复合材料,防起毛性好。“Carbon Cloth Soft Composite”布是采用了创和纺织所有的碳纤维束整齐均一的排列平面织造技术和碳纤维分科会成员平松产业所持的特殊树脂在碳纤维织物上的均一粘合技术。这些技术不仅赋予碳纤维很高的物性, 而且实现了环氧树脂碳纤维等坚硬复合材料(硬质复合材料) 所不可能的裁剪、缝纫, 可与普通的布料和皮革同样使用,用途非常广泛。

国内碳纤维的发展趋势

      尽管我国碳纤维生产发展缓慢, 但消费量却与日俱增,市场需求旺盛,主要集中在文体用品和航空航天方面, 一般产业需求增长也比较迅速。近年来,随着市场需求的增加,特别是国防、 军工、航天航空、体育用品方面的需求增加,每年主要依靠从国外进口碳纤维以满足要求,据统计1996-2002年国内碳纤维消费年均增长率超过20% 目前国内的市场需求量约为2500t/a,主要依靠进口。国内碳纤维主要应用领域见表3.1

                        3.1  国内碳纤维主要应用领域

类别

应用领域

成熟市场

航空、航天及国防领域:飞机、卫星、火箭、导弹、雷达等

 

体育休闲品:高尔夫球、渔具、网球拍、羽毛球拍、箭杆、自行车、赛艇等

新兴市场

碳纤维基增强工程塑料、压力容器、建筑补强、风

力发电叶片、摩擦材料、深海油田的钻进平台等

待开发市场

汽车零部件、医疗机械等

 

      通过对国内市场需求进行广泛深入的调研发现, 近几年体育和休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的年需求量迅速增长,从我国航空航天技术的发展来看,也急需高性能碳纤维及其复合材料。

      综上所述,国内PAN基碳纤维材料加工业已初具规模, 有一定的技术基础和市场开发能力,市场需求比较旺盛,但碳纤维的生产远远不能满足市场需求,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是我国碳纤维未来的潜在消费市场,对碳纤维的需求量将更大。因此,未来我国碳纤维的市场需求前景广阔,潜力极大。    

 总结

      碳纤维属高新技术、高附加值产品, 具有其他材料不可比拟的优异性能, 具有广泛的用途和良好的发展前景。随着我国经济的持续快速发展,碳纤维的市场需求与日俱增,发展我国的碳纤维工业具有重大的现实意义和深远的历史意义。 因此, 针对当前现状,必须加快我国碳纤维发展进程。

      1)制订我国碳纤维发展的总体规划,考虑国内研制与国外引进相结合。碳纤维是一种可以形成庞大产业带的基础产品,并随其成本的降低而在金属、陶瓷、玻纤等材料的传统应用领域得到广泛应用。同时因其高科技含量,又可在一定时期形成相对垄断产品。因此,碳纤维及其复合材料的开发,可为企业带来长期、稳定的投资收益,是大企业较好的投资方向。

      2)开发低成本碳纤维技术,特别是采用一般纺织用PAN 原丝生产工业级碳纤维和开发大丝束碳纤维12。碳纤维的价格是限制其推广应用的制约因素,降低碳纤维价格的关键是采用一般纺织用PAN 原丝生产工业级碳纤维和大丝束碳纤维,我国必须突破这些关键技术11

      3)解决碳纤维生产厂家小而散的问题,以提高竞争力。像日本3 家碳纤维公司的总产能占世界的75 %,而我国十几个厂家,每家最多100 t / a级,这样无法与国外竞争。

      4)研究扩大碳纤维的应用范围,开发宇航级13 与一般工业级的碳纤维和发展以T700为基础的军用碳纤维系列14。碳纤维要降低价格必须扩大用量,必须扩大碳纤维的应用范围。军用高性能碳纤维的用量毕竟是有限的,必须开发新的应用范围,包括交通运输、汽车、能源和土木建筑等领域。

   

 

  (文章来自:南通大学纺织服装系,江苏 南通 张丽丽

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