碳纖維發展現狀及其發展趨勢

碳纖維發展現狀及其發展趨勢

摘要:碳纖維已經發展成為重要的現代工業材料之一,應用領域非常廣泛。文章闡述了目前國內外碳纖維發展狀況和我國碳纖維存在的一些主要問題,重點介紹了碳纖維在工業、土木建筑和交通運輸等領域的應用狀況及其碳纖維復合材料產品的發展并且討論了碳纖維的發展趨勢。

關鍵詞:碳纖維;發展現狀; 應用;發展趨勢

 

引言

      碳纖維是纖維狀的碳素材料, 含碳量在90%以上。它是利用各種有機纖維在惰性氣體中、 高溫狀態下碳化而制得。碳纖維具有十分優異的力學性能, 是目前已大量生產的高性能纖維中具有最高的比強度和最高的比模量的纖維,特別是在2000以上的高溫惰性環境中,碳材料是唯一強度不下降的物質,是其他主要結構材料(金屬及其合金)所無法比擬的。 除了優異的力學性能外,碳纖維還兼具其他多種優良性能, 如低密度、 耐高溫、 耐腐蝕、 耐摩擦、 抗疲勞、震動衰減性高、 電及熱傳導性高、熱膨脹系數低、光穿透性高,非磁體但有電磁屏蔽性等。

      作為高性能纖維的一種, 碳纖維既有碳材料的固有特性, 又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是先進復合材料最重要的增強材料,已在軍事及民用工業的各個領域取得廣泛應用,從航天、航空、汽車、電子、機械、化工、輕紡等民用工業到運動器材和休閑用品等。因此,碳纖維被認為是高科技領域中新型工業材料的典型代表,為世人所矚目。 碳纖維產業在發達國家支柱產業升級乃至國民經濟整體素質提高方面, 發揮著非常重要的作用,對我國產業結構的調整和傳統材料的更新換代也有重要意義,對國防軍工和國民經濟有舉足輕重的影響。

我國碳纖維發展現狀

      20世紀70年代中期開始,經過30余年的發展,我國碳纖維從無到有,從研制到生產取得了一定的成績,但總的來說,我國碳纖維的研制與生產水平還較低,目前僅相當于國外20 世紀70 年代中、末期水平4

PAN 基碳纖維

      我國PAN 基碳纖維的開發研制已有30 多年歷史。20世紀60 年代初,吉林應用化學研究所已著手于PAN基碳纖維的研究,70 年代初已完成連續化中試裝置。其后,上海合成纖維研究所、中國科學院山西煤化所等單位也開展研制工作,并于80 年代中期通過了中試。我國碳纖維生產先后建成了從年產幾百千克到年產幾噸的小試裝置和幾十噸的中試生產裝置,起步不晚,但發展緩慢,總生產能力還不及發達國家或地區的一家公司見表1.2[5,6]

 

1.2  世界各大PAN基碳纖維公司2002-2004年的產能  t/a

 

生產公司

生產能力

日本

Toray

9100(小絲束)

日本

Toho

5600(小絲束)

日本

Mitsubishirayon

4700(小絲束)

美國

Hexcel

2000(小絲束)

英國

Amoco

1900(小絲束)

中國臺灣

臺灣工程塑料公司

1750(小絲束)

美國

AKZO-Fortafil

3500(大絲束)

美國

Zoltek

1800(大絲束)

美國

Aldila

1000(大絲束)

德國

SGL

1900(大絲束)

 

       2002年國內PAN基碳纖維需求量約為2 235 t ,其中體育休閑領域需求量為1 935 t,占87 %;一般產業需求量為250 t,占11 %;軍工領域需求量為50 t,僅占2 %4 2003 3 10 日,英國AMEC / ACE(艾麥克)公司與中國安徽華皖碳纖維有限公司關于年產量分別為PAN原絲500 t、碳纖維200 t(均以12 K 計算)的技術轉讓合同在上海正式簽約,預期2005年初本項目投產,這將極大地推動我國碳纖維的發展。

瀝青基碳纖維

      世界瀝青基碳纖維的生產能力較小,國內瀝青基碳纖維的研究和開發較早,但在開發、生產及應用方面與國外相比有較大的差距見表1.3

3  2002—2004年世界瀝青基碳纖維的生產廠家及產能[1,6]

品種

國家或公司

產能/t·a-1

強度/MPa

模量/GPa

通用型碳纖維

中國

450

686

41

Donac

300

686

34

Kureha

900

590~980

30~33

Niffobo

開發中

657~980

40~49

Noppon

開發中

784~980

39~49

高性能碳纖維

Amoco

140~230

1300~2400

170~960

Mitsubishi Chem

500

1800~3300

176~735

Nippon Sekiyu

50

3230~3300

392~686

Donac

開發中

1800~3000

140~600

Kureha

開發中

1800~4000

150~400

      20世紀70年代初,上海焦化廠以煤焦油為原料成功地制取了碳纖維,但因試驗結果不穩定,產品質量不高而中止。1979 年,中國科學院山西煤化所開始研制瀝青基碳纖維,1985 年通過小試2。在此基礎上,冶金部在煙臺籌建了新材料研究所,生產通用級瀝青碳纖維,規模70 100 t / a,主要做飛機的剎車片。90年代初擴大到150 t / a。但由于設備未過關,又無改造資金,處于停產狀態。鞍山東亞精細化工有限公司投資1.2億元人民幣于90年代初從美國Ashland(阿什蘭德)石油公司引進了全套生產設備,生產能力為200 t / a1994年動工建設,1995 年投產。近年來,我國碳纖維的產量雖有增加,但與不斷增長的需求相比仍有較大的差距。

      我國瀝青基碳纖維與PAN 基碳纖維相比發展較慢,但由于生產成本較低,價格約為PAN基碳纖維的1 / 3 1 / 4,因此瀝青基碳纖維在民用及建筑領域的應用前景較為廣闊,這將為我國瀝青基碳纖維的發展提供良好的機遇。

國產碳纖維存在的主要問題

      我國碳纖維雖然經過了一段時期的發展,但是與國外的技術水平還存在一定的差距和一些在競爭中不容忽視的問題,主要有以下幾個方面。

      1 原絲質量與國外比還存在差距7。由于國產碳原絲在生產過程中大部分采用民用腈綸原液,雜質含量較高,造成碳纖維性能不穩定,離散系數較大。

      2)大部分國產碳纖維未經過表面處理,制成復合材料層間剪切強度偏低1。沒有經過表面處理的國產碳纖維不能用作高性能要求的先進復合材料增強體,也不能在航空、航天等國防部門中用來制作主承力構件。

      3)尚未形成經濟規模,價格太貴,成本組成不合理。國產碳纖維目前售價太高,遠比國外進口的價格要高。我國碳纖維之所以價格昂貴,有很多不合理因素。如成本結構存在問題,據我國某碳纖維廠對碳纖維成本的粗略統計,原絲費用約占碳纖維成本的25 %,而車間費用約占碳纖維成本的44 %

      4)品種單一、規格單一,碳纖維來源大部分依賴于進口1,7。根據不同行業、不同產品、不同零部件的不同需求,希望能采用不同類別、不同品種、不同規格的碳纖維。除了供結構材料使用的碳纖維,還希望有供功能材料使用的碳纖維,而我國目前碳纖維只有相當于T 300的一個品種。

碳纖維的應用狀況
碳纖維主要應用領域

      碳纖維具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱等特性,屬典型的高新技術產品,表2.1 是幾種碳纖維材料的性能比較8。主要用于制備先進復合材料(ACM),已廣泛應用于宇航、體育用品領域、工業領域、交通運輸領域及土木建筑領域。鑒于近年軍事工業上應用的萎縮、碳纖維成本的降低及先進低成本制造復合材料技術的突破,碳纖維復合材料在建筑、工業、交通運輸等方面的應用便成為研究開發的熱點,并取得了一定的突破性進展9  11

 

2.1  幾種碳纖維材料性能比較

 

拉伸強度

拉伸模量

密度

比模量

比強度

產地

/MPa

/GPa

/g·cm-3

/109·cm

/107·cm

IM6

5200

276

1.70

1.62

3.06

美國

IM7

5379

276

1.80

1.53

3.00

美國

IM8

5447

303

1.70

1.78

3.20

美國

IM9

6343

290

2.00

1.45

3.17

美國

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

 

宇航領域

      在宇航領域,由于其重量輕,剛性、尺寸穩定性和導熱性好,高模量碳纖維很早便應用于人造衛星中。碳纖維在宇航上的應用主要在固體火箭發動機殼體和噴管上。2002年,在宇航領域中碳纖維的需求量大約是4 000 t,其應用分布:北美為2 500 t,高達62.5 %;歐洲和亞洲分別為1 260 t240 t,分別占26.1 %4.2 %

土木建筑領域

      隨著碳纖維成本的降低與復合材料制造技術的發展,土木建筑領域成為碳纖維復合材料應用的新市場。利用碳纖維復合材料棒材替代元鋼,利用碳纖維復合材料層板加固或修復橋梁及建筑物,及利用碳纖維增強混凝土等將會有很大的發展。目前在土木建筑領域的應用主要是:復合材料棒材、纖維增強膠接層板、碳纖維增強混凝土、碳纖維復合材料片等。

工業領域

      近幾年來碳纖維在宇航領域中應用萎縮,在工業應用的市場不斷看好。與宇航和體育休閑用品相比,工業應用對于碳纖維的需求在不斷增長。基礎設施、油氣開采、壓力容器、復合材料輥子、航海構件等應用不斷開發,使碳纖維在這個領域的應用持續增長。歐洲和日本在這方面的開發處于領先地位,因此,用于工業應用碳纖維的需求量歐洲最大,亞洲其次。據報導,制備注射和模壓用的粒料消耗的碳纖維高達2 700 t,主要用于生產手機、計算機、辦公設施等,在電磁屏蔽和靜電消散方面的應用也不斷增長。

 交通運輸領域

      在交通領域,碳纖維擴大應用的最大希望在于汽車業。國外的各大主要汽車廠家,均競相開發CFRP(碳纖維復合材料)化的節能、環保和安全性汽車。新一代的汽車要求大大地降低能耗,最重要的措施之一就是減輕汽車質量,用一般鋼材是不可能實現的,因此采用復合材料是最有效的辦法。設計表明,一輛典型小車的碳纖維用量可以超過113 kg。在這一領域僅僅為了滿足北美的需求,碳纖維的需求量就達現有世界碳纖維總生產能力的100倍。因此碳纖維復合材料用作汽車材料,將具有廣闊的發展前景10。目前碳纖維復合材料已獲得應用或正在研究開發應用的領域主要包括:飛輪、壓縮天然氣貯罐、燃氣透平部件、剎車裝置,其它部件如蓄電池、活塞、傳動軸、彈翼、大梁等。在載重汽車上使用碳纖維復合材料后,每輛可降低質量200 kg左右11

 能源領域

      目前,電阻率在 103  102 W·cm的碳纖維紙屬高性能碳纖維紙,通常稱之高導電率碳纖維紙,在新能源和電化學領域正在廣泛推廣應用12。科學家經過多種探索,確認高性能碳纖維紙能滿足綠色能源 —— 燃料電池的要求,而且和原碳材料電極相比,還有體積小、質量輕、效率高等優點。現在,用高性能碳纖維紙制作質子交換膜 —— 燃料電池(PEMFC)的氣體擴散層電極材料,已經得到各燃料電池制造商的認同,從而得到很快發展。能源和貯能方面,像風力發電葉片、飛輪、電池等應用也不斷擴大。

體育休閑領域

      亞洲用于生產體育休閑用品碳纖維的消耗量是世界上最高的。2002年在體育休閑用品的4 990 t碳纖維中,亞洲占首位達3 100 t,占62.2 %;其次是北美,為1 120t,占22.4 %;歐洲最少,為770 t,占15.4 %13 在亞洲特別是中國(包括臺灣省)正越來越多地生產管狀復合材料件,像高爾夫球桿和網球拍等,其它還包括箭桿、釣魚竿、自行車架、船槳、滑雪工具、棒球棒、公路賽車、競技墻等體育用品。

碳纖維及其復合材料的產品

碳纖維加固補強織物

      上海市紡織科學研究院研制的碳纖維加固補強織物是一種高科技含量的產品, 該纖維采用國外進口高性能碳纖維加工而成, 具有高強高效、耐久耐腐、質量輕等特點。該補強織物具有以下性能:面密度為300 g/m2, 厚度為0.3 mm, 彈性模量為2.1 ×105 MPa, 拉伸強度≥3 300 MPa, 伸長率≥1.6 %, 密度1.80 g/cm3 幅寬30~150 cm。補強技術是用配套樹脂將碳纖維織物粘貼于混凝土結構表面, 起到結構補強及抗震加固作用, 廣泛用于梁、柱、板、墻等補強, 也可用于橋梁、隧道、水壩等其他土木工程的加固。

 新型活性碳纖維殺菌效果神奇

      中國臺灣地區逢甲大學材料科學研究所成功研發出一種新型活性碳纖維。經測試發現, 使用一層這種纖維布, 可以百分之百地過濾和抵擋綠膿桿菌和大腸桿菌, 對肺炎桿菌的減菌率在99.99 %以上。放置一年后, 殺菌效果依然不減。逢甲大學科學家指出, 以前的活性碳纖維布是讓細菌吸附固定在纖維上, 經過幾個小時, 碳纖維便能發揮抑菌效果。新一代活性碳纖維布的化學特性可以讓細菌如同踩到地雷瞬間被殺死。新活性碳纖維布的獨特之處還在于可以重復清洗100 次以上, 壽命長達3 5 , 用來做口罩, 比用即棄的N95 口罩更好。這種纖維布對其他細菌的抑制和殺滅功能尚待測試。據悉, 目前全球僅日本、俄羅斯、英國、中國大陸及中國臺灣地區擁有活性碳纖維的制造技術。

新型碳纖維復合芯導線

      江蘇遠東集團和美國一家高科技公司聯合開發的新型碳纖維復合芯導線獲得成功, 產品己上市。據介紹, 與傳統鋼芯鋁絞線相比, 碳纖維復合芯導線具有質量輕、強度大、耐高溫、耐腐蝕、線損低、弛度小、與環境親和等優點, 可提高傳輸容量1 , 減少20 %桿塔數, 減少有色金屬消耗,降低傳輸損耗。該技術推廣將有利于我國構造安全、環保、高效節約型輸電網絡。

 碳纖維導電面料

      俄羅斯柴可夫斯基紡織股份公司是專業防護服生產企業, 其產品用于食品醫藥業、建筑交通業、石化天然氣行業的勞動防護。該公司最近開發出兩種新型含碳絲導電面料, 這兩種面料分別是弗尼克斯熱防護弗尼克斯舒適”, 前者成分50 %為棉、50 %為耐熱化纖, 每平方米質量為330 g; 后者為棉滌面料, 每平方米為280 g。這兩種面料專用于石油、天然氣行業工作服, 加入了碳纖維作為導電纖維, 而國際上同類產品通常加入金屬絲作為導電纖維。這兩種面料還都加有CI- BA公司的TEFLON PYROVATEX 涂層。

碳纖維軟質復合材料

      日本創和紡織與東麗合纖產業集群碳纖維分科會攜手開發的利用碳纖維織物與樹脂的復合材料“Carbon Cloth Soft Composite” 的碳纖維系列產品Carbon ClubTM (零錢夾、鑰匙圈、印章盒、皮帶等日用品、小雜物等) 上市。今后, 除了日用品、小飾品之外, 產品還將拓展至間隔材料、掛毯、墻壁裝飾材料、百葉窗、窗簾等室內裝飾材料領域。“Carbon Cloth Soft Composite”布比鐵結實, 是碳纖維與耐久性良好的高柔軟可撓性樹脂的復合材料,防起毛性好。“Carbon Cloth Soft Composite”布是采用了創和紡織所有的碳纖維束整齊均一的排列平面織造技術和碳纖維分科會成員平松產業所持的特殊樹脂在碳纖維織物上的均一粘合技術。這些技術不僅賦予碳纖維很高的物性, 而且實現了環氧樹脂碳纖維等堅硬復合材料(硬質復合材料) 所不可能的裁剪、縫紉, 可與普通的布料和皮革同樣使用,用途非常廣泛。

國內碳纖維的發展趨勢

      盡管我國碳纖維生產發展緩慢, 但消費量卻與日俱增,市場需求旺盛,主要集中在文體用品和航空航天方面, 一般產業需求增長也比較迅速。近年來,隨著市場需求的增加,特別是國防、 軍工、航天航空、體育用品方面的需求增加,每年主要依靠從國外進口碳纖維以滿足要求,據統計1996-2002年國內碳纖維消費年均增長率超過20% 目前國內的市場需求量約為2500t/a,主要依靠進口。國內碳纖維主要應用領域見表3.1

                        3.1  國內碳纖維主要應用領域

類別

應用領域

成熟市場

航空、航天及國防領域:飛機、衛星、火箭、導彈、雷達等

 

體育休閑品:高爾夫球、漁具、網球拍、羽毛球拍、箭桿、自行車、賽艇等

新興市場

碳纖維基增強工程塑料、壓力容器、建筑補強、風

力發電葉片、摩擦材料、深海油田的鉆進平臺等

待開發市場

汽車零部件、醫療機械等

 

      通過對國內市場需求進行廣泛深入的調研發現, 近幾年體育和休閑用品及壓力容器等領域對碳纖維的年需求量迅速增長,從我國航空航天技術的發展來看,也急需高性能碳纖維及其復合材料。

      綜上所述,國內PAN基碳纖維材料加工業已初具規模, 有一定的技術基礎和市場開發能力,市場需求比較旺盛,但碳纖維的生產遠遠不能滿足市場需求,需大量進口。此外,考慮到我國碳纖維的應用還在不斷發展,許多用途還有待開發, 如碳纖維在工程修補增強方面、飛機和汽車剎車片、汽車和其他機械零部件的應用以及電子設備套殼、集裝箱、 醫療器械、深海勘探和新能源的開發等方面都將是我國碳纖維未來的潛在消費市場,對碳纖維的需求量將更大。因此,未來我國碳纖維的市場需求前景廣闊,潛力極大。    

 總結

      碳纖維屬高新技術、高附加值產品, 具有其他材料不可比擬的優異性能, 具有廣泛的用途和良好的發展前景。隨著我國經濟的持續快速發展,碳纖維的市場需求與日俱增,發展我國的碳纖維工業具有重大的現實意義和深遠的歷史意義。 因此, 針對當前現狀,必須加快我國碳纖維發展進程。

      1)制訂我國碳纖維發展的總體規劃,考慮國內研制與國外引進相結合。碳纖維是一種可以形成龐大產業帶的基礎產品,并隨其成本的降低而在金屬、陶瓷、玻纖等材料的傳統應用領域得到廣泛應用。同時因其高科技含量,又可在一定時期形成相對壟斷產品。因此,碳纖維及其復合材料的開發,可為企業帶來長期、穩定的投資收益,是大企業較好的投資方向。

      2)開發低成本碳纖維技術,特別是采用一般紡織用PAN 原絲生產工業級碳纖維和開發大絲束碳纖維12。碳纖維的價格是限制其推廣應用的制約因素,降低碳纖維價格的關鍵是采用一般紡織用PAN 原絲生產工業級碳纖維和大絲束碳纖維,我國必須突破這些關鍵技術11

      3)解決碳纖維生產廠家小而散的問題,以提高競爭力。像日本3 家碳纖維公司的總產能占世界的75 %,而我國十幾個廠家,每家最多100 t / a級,這樣無法與國外競爭。

      4)研究擴大碳纖維的應用范圍,開發宇航級13 與一般工業級的碳纖維和發展以T700為基礎的軍用碳纖維系列14。碳纖維要降低價格必須擴大用量,必須擴大碳纖維的應用范圍。軍用高性能碳纖維的用量畢竟是有限的,必須開發新的應用范圍,包括交通運輸、汽車、能源和土木建筑等領域。

   

 

  (文章來自:南通大學紡織服裝系,江蘇 南通 張麗麗

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