碳纖維的發展現狀及開發應用

李建利,張新元,張　元,王海濤,趙領航

(陜西省紡織科學研究所，陜西西安 710038)

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碳纖維的發展現狀及開發應用

李建利,張新元,張元,王海濤,趙領航

(陜西省紡織科學研究所，陜西西安 710038)

摘要：介紹了碳纖維的發展史、分類、國內外產業現狀、需求及在航空航天、體育休閑、風力發電、汽車、建筑等領域的應用狀況，并提出了我國碳纖維產業發展的幾點建議。

關鍵詞：碳纖維發展現狀需求應用

0概述

碳纖維是由有機母體纖維(聚丙烯腈、黏膠絲或瀝青等)在1000℃～3000℃高溫、惰性氣體環境下，高溫分解、碳化制成的含碳量90%以上的無機高分子纖維。它力學性能優異，比重不足鋼的1/4，而其復合材料的抗拉強度是鋼的7倍～9倍；楊氏模量是傳統玻璃纖維(GF)的3倍，是凱夫拉纖維(KF-49)的2倍。耐高溫性能好，在2000 ℃的高溫惰性環境中，碳纖維是唯一強度不下降的物質，這是其它金屬及合金類結構材料無法比擬的。另外，碳纖維還具有耐化學腐蝕、導電、膨脹系數小、減震、低密度等優異性能[1]，是國民經濟與國防建設不可缺少的戰略新型材料，在國際上被譽為“黑色黃金”。

1發展史

1.1國外

18世紀中，英國人斯旺和美國人愛迪生利用竹子和纖維素等經過一系列后處理制成了最早的碳纖維，將其用作燈絲并申請了專利。20世紀50年代，美國開始研究粘膠基碳纖維，1959年生產出品名“T hormei-25”的粘膠基碳纖維。同年日本進藤昭男首先發明了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維。1962年日本東麗公司開始研制生產碳纖維的優質原絲，在1967年成功開發出T300聚丙烯腈基碳纖維。1966年，英國皇家航空研究所的Watt等人改進技術，開創了生產高強度、高模量PAN基碳纖維的新途徑。1969年，日本東麗公司成功研究出用特殊單體共聚而成的聚丙烯腈制備碳纖維的原絲，結合美國聯合碳化物公司的碳化技術，生產出高強高模碳纖維[1-4]。此后，美、法、德也都引進技術或自主研發生產PAN基原絲及碳纖維，但日本東麗公司的碳纖維研發與生產技術一直保持世界領先水平。

1.2國內

我國的碳纖維發展始于20世紀60年代，1976年國內首批產能2 t/a的PAN基碳纖維試驗生產線在中科院山西煤化所建成。80年代開始高強型碳纖維研究，

1998年建成產能40 t/a的中試線。目前，大連興科碳纖維有限公司和中石油吉化公司及安徽華皖碳纖維有限公司是國內PAN基碳纖維生產水平較高的企業[4-6]。

2分類

碳纖維按照狀態可分為長絲、短纖維、短切纖維。按照原絲類型可分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維(表1)。按力學性能可分為通用型和高性能型(表2)。按照用途可分為宇航級小絲束碳纖維和工業級大絲束碳纖維[7-9](表3)。

表1　四種原料碳纖維的主要性能

表2　按力學性能分類

表3　按照用途分類

(1K指一束碳纖維含1000根單絲)

3產業現狀

碳纖維作為高端化纖產品，其生產和銷售一直被日本、美國和德國等發達國家壟斷，全球產能已由2008年的6.2萬噸，增長到2014年的12.6萬噸，產量由2008年為4.7萬噸，增長到2014年的7.6萬噸(表4)。

表4　2008年～2014年世界碳纖維產能與產量狀況

據報道，預計2020年全球碳纖維總產能將達到15萬t/a。目前，聚丙烯腈基碳纖維因生產工藝相對較簡單，工藝較成熟，產品力學性能好且成本低，成為碳纖維工業生產的主流產品，約占全球碳纖維總產量的90%。瀝青基碳纖維是碳纖維的第二大品種，屬于高模量碳纖維，產量約占全球7%。粘膠基碳纖維受性價比等因素制約，產量約占全球1%。

3.1國外

世界碳纖維年產量約10萬噸，主要生產商有日本東麗、東邦、三菱三大集團，美國卓爾泰克、阿爾迪拉、赫克賽爾、氰特，德國西格里、阿克蘇，韓國泰光等公司[10-14]。其日本處于技術領先地位，日本三大集團產量占全球75%，且以小絲束生產占絕對優勢，東麗、東邦、三菱的產能分別達到9100 t/a、5600 t/a、4700 t/a；美國產量占全球14%，以大絲束生產占優勢。

3.1.1聚丙烯腈基碳纖維

全球大型碳纖維生產企業有13個，以PAN基纖維為原料生產碳纖維9個，包括東麗、東邦、三菱、卓爾泰克、赫氏、蘇泰克、阿爾迪拉、西格里及臺塑。其中日本3家(東麗、東邦、三菱)就占市場份額的80%，產能達40400 t，美國三大廠商(卓爾泰克、赫氏、蘇泰克)總產能達20750 t。

東麗以本土為核心的日美法韓4個生產基地，目前已形成11000t/a～12000t/a的T700S和4500 t/a的T800碳纖維生產能力，且PAN基碳纖維總產能2015年達到27100噸，2020將擴大至50000噸。

表5　世界PAN基碳纖維總產能

3.1.2瀝青基碳纖維

全球瀝青基碳纖維主要廠商有三菱塑料公司、氰特公司、日本石墨纖維公司，產能狀況如表6。

表6　世界瀝青基碳纖維總產能

注：中國大陸未統計在內

3.2國內

中國化纖工業協會統計，截至2009年12月，國內有10家PAN原絲生產企業，形成24310 t/a的生產能力。其中大陸9家，年生產能力9310 t/a，臺灣省臺塑企業，年產能15000 t/a。國內有12家PAN碳化企業，其中大陸11家，年產能2925 t/a，臺塑企業年產能6150 t/a。大陸企業主要有中復神鷹年產能1220 t/a，威海拓展年產能1050 t/a，其次吉林石化、山西煤化所也形成一定生產能力。冶金部在煙臺籌建了規模70t/a～100t/a的通用級瀝青基碳纖維生產線，主要用作飛機剎車片，20世紀90年代擴大到150 t/a，但因設備不過關等原因致停產[15-18]。

2013年我國的碳纖維產能1.8萬噸，實際產量僅有3千噸。到2015年我國大小碳纖維企業近40家，理論設計總產能1.96萬噸(5000 t/a以上企業3家)，實際產量3.7千噸。碳纖維產品方面，T300級基本達標，T700級年產百噸線試制，T800級在實驗室突破關鍵技術，主體產品為12K及以下的小絲束PAN基碳纖維。但是產量僅從2007年的200噸增加到2014年的3700噸(不足設計產能的20%)，產能釋放能力低的問題非常突出。2007年～2014年，我國碳纖維累計產量僅1.23萬噸。國內生產能力與美日及歐洲國家相比還存在相當差距，產品強度低、均勻性差、穩定性差、毛絲多、實際生產量低，根本原因是國內原絲質量不過關，解決這一問題，就應匯聚國內從事此領域的各方人力，以國內經濟實力與客觀條件較好企業為實施基地，進行高起點技術攻關，促進我國碳纖維的發展。

工信部《新材料產業“十二五”規劃》將碳纖維及其復合材料列入“十大重點工程”，目標是：到2015年，碳纖維產能達1.2萬噸，基本滿足航空航天、風力發電、運輸裝備等需求。目前，我國碳纖維產業初具模型，預計2020年我國將建成千噸級T1000碳纖維生產線和百噸級MJ系列碳纖維生產線，并可開展T1200和M70J等高性能纖維及專用復合材料的研制和產業化工作，基本滿足國民經濟和國防科技的需求，初步形成兩到三家具有國際競爭力的碳纖維大型企業集團及若干創新能力強、特色鮮明、產業鏈完整的碳纖維及復合材料產業集聚區。

4需求與應用

目前，全球市場碳纖維的需求量約53.5千噸，繼續以6%～8%的年增長速不斷擴大，其中航空航天占比約29%，體育休閑占比約14%，風電占比約11%，汽車占比約13%。而且，這種需求高速增長的狀態仍在持續，預計到2018年，全球碳纖維的需求量將達到10多萬噸[19-23]。

表7　全球與我國碳纖維需求預測　單位：kt

我國碳纖維的消耗量約90%依賴進口，體育休閑應用占總消耗的60%以上，工業占21%。2014年國內碳纖維市場需求為 10600噸，隨著我國航天航空和工業制造的不斷發展，未來幾年我國碳纖維需求量將進入一個快速增長的時期，《2015-2020年中國碳纖維行業市場競爭趨勢及投資戰略分析報告》中指出：預計到2020年國內碳纖維的需求將達25000噸，年均增長速率約15.5%。

表8　2014年全球與我國的碳纖維需求分布

表9　2014年與2020年國內碳纖維市場需求份額比較

2014年，國內碳纖維在航空航天、工業應用和體育休閑三大領域的用量比例是4%、29%和67%。其中，體育休閑占絕大多數，而在民用航空、交通工具、新能源裝備、工程建設等方面的應用雖然已經開始起步，但應用水平偏低，碳纖維復合材料的設計水平不足，缺乏配套的材料，相關的應用標準體系不健全，導致應用領域窄。此外，樹脂、上漿劑等配套材料品種少、性能不足，復合材料用輔助原料還不能完全實現自主供給，部分品種還依賴進口等，不僅制約了碳纖維復合材料在高端制品上的應用，同時還嚴重影響著國產碳纖維的市場應用。

目前國內外一致認為，最富有前景的應用領域是工業應用，如汽車工業，應用碳纖復合材料可以減輕重量，節約能源，增加可靠性；風力發電是能源領域增長最快的，其葉片使用碳纖維量可觀。隨著汽車輕量化和風力發電的不斷發展，我國的碳纖維在工業領域的應用將越來越多，預計到2020年國內工業領域的碳纖維需求份額將增長到50%。

4.1航空航天領域

到2015年航空航天用碳纖維比2011年增長約87%達到13.1千噸，預計到2020年達到19.7千噸。碳纖維將在航空航天領域以多種應用趨勢成為噴氣飛機發動機、渦輪發動機、渦輪等主要的結構材料[24-28]。統計顯示，碳纖維復合材料在小型商務機和直升飛機上的使用量占70%～80%，軍用飛機占30%～40%，大型客機占15%～50%。美國軍用飛機AV-8B改型“鷂”式飛機所用碳纖維約占飛機結構重量的26%，使整機減重9%。我國直-9型直升機復合材料占60%，主要是碳纖維復合材料。日本OH-1“忍者”直升機，機身40%是碳纖維復合材料，槳葉也是碳纖維復合材料。

民用領域，世界最大飛機歐洲空客A380使用的復合材料是結構重量的25%，碳纖維復合材料占結構重量的22%；美國波音B787復合材料質量比例高達50%，機身、尾翼采用碳纖維層合結構，升降舵、方向舵保留碳纖維夾芯結構；波音777客機全機碳纖維用量7噸左右；中國商飛C919第一階段采用10%～15%的碳纖維復合材料，第二階段23%～25%采用碳纖維復合材料，

宇航工業上，碳纖維多用作導彈防熱材料及結構材料，如導彈發射筒、固體火箭發動機(殼體、噴管與連接部件)、導彈鼻錐與大面積防熱層；衛星的構架、天線、太陽能翼片底板、衛星-火箭結合部件；航天飛機與高速飛行器的機頭、機翼前緣和艙門、大面積防熱蓋板等制件的抗氧化材料。航天飛行器的重量每減少1 kg，就可使運載火箭減輕500 kg。采用碳纖維復合材料將大大減輕火箭和導彈的惰性重量，減輕發射重量，節省發射費用或攜帶更重的彈頭或增加有效射程和落點精度。

4.2體育用品領域

體育器材是我國碳纖維的主要消費領域，年消耗約5千噸，約占碳纖維市場的18%～20%，2007年～2014年間的年均增長率保持在3%左右。

碳纖維復合材料在高爾夫球桿、網球拍、釣魚竿、自行車、賽車、滑雪板等高檔文體用品中廣泛應用[29，30]，碳纖維復合材料的高爾夫球桿比金屬桿減重近50%。2009年浙江一家公司生產的一體式競賽型碳纖維自行車較鋁材減重40%。釣魚竿、羽毛球拍、滑雪板、高爾夫球桿等體育用品的碳纖維67%是大絲束，隨著大絲束價格的降低和性能提高，此基礎上還將增加。

4.3風電領域

2010年全球的風電新增裝機容量達4210萬千瓦，全球風電累計裝機容量達2.0億千瓦。據歐洲風能協會預測，到2020年全球風電裝機將占總電量的12%，風力發電已從“補充能源”向“戰略替代能源”轉變。

風電設備的葉片、機艙罩是采用復合材料的主要部位，碳纖維復合材料葉片是風機輕量化及大型化的必然趨勢。一臺風機按12噸計算，碳纖維用量0.6噸/片，則風機消耗碳纖維1.8噸/臺。“十一五”期間，我國建成了30個10萬千瓦級的風電項目，實現了3000萬千瓦的中長期發展目標，新增裝機約6000臺/年，碳纖維需求量10800噸/年。到“十二五”末，我國電力市場將可容納約1億千瓦風電的能力，而2015年后，我國風電仍保持較快增長，為碳纖維發展提供保障。

隨著風機葉片的加長，玻璃纖維復合材料葉片已不能滿足性能要求，大絲束碳纖維復合材料葉片不僅在風機強度和剛度等力學性能方面都滿足要求，而且輕量化、耐腐蝕的特征也成為海上風能葉片的需求[31-33]。國外已展開大絲束碳纖維風電葉片的應用，維斯塔斯(Vestas)生產的V-90型3.0 MW風機葉片與玻璃纖維相比減重32%，成本下降16%。歌美颯(Gamesa)生產的長達44 m的2.0 MW風機葉片采用碳纖維/環氧樹脂預浸料，質量僅7000 kg。南通東泰生產的2 MW碳纖維風機葉片主梁，既保證葉片高強度，又順應了大型化、輕量化方向。荷蘭戴爾佛理工大學研制的直徑120 m風機葉片，梁結構采用碳纖維重量減輕40%。

表10　 碳纖維在風機葉片中的應用實例

4.4汽車領域

隨著汽車輕量化、發動機高效化、車型阻力減小化的要求，碳纖維復合材料成為質輕和一體多能的理想結構材料[34]。主要應用在發動機系統中的推桿、連桿、搖桿、水泵葉輪，傳動系統中的傳動軸、離合器、加速裝置等，底盤系統中的懸置件、彈簧片、框架、散熱器等，車體上的車頂內外襯、地板、側門等。2013年的汽車領域碳纖維用量大約3千噸，預計2020年達到10千噸。

表11　碳纖維在汽車上的應用實例

另外，碳纖維制作的復合材料剎車片[35]，可做到無熱龜裂、無熱膨脹、無熱衰退，摩擦率低、沖擊強度好，硬度值好，剎車無噪音，利于環境保護等優點，現已進入高檔轎車和世界名車、列車、飛機等交通領域應用。

4.5建筑補強領域

80年代初在歐美、日本和澳大利亞等國開始大力研究與應用，主要在橋梁、海工構筑物、非磁性建筑物等工程方面，其中橋梁方面應用較多。我國在1996年前后開始研究應用，主要有碳纖維復合材料片材、筋及型材、預應力索、拉索、吊桿，因其良好的抗疲勞性，也在大跨度索橋、系桿拱橋中廣泛應用[36]。

用碳纖維管制作的桁梁構架屋頂，比鋼材輕50%左右，而且，碳纖維做補強混凝土結構時，不需要增加螺栓和鉚釘固定，對原有混凝土結構擾動較小，施工簡便。

4.6石油工業

抽油桿是采油系統主要部件，傳統鋼制抽油桿在柔韌性和抗腐蝕方面不足，碳纖維抽油桿相比鋼制抽油桿強度高、抗腐蝕、耐磨。碳纖維抽油桿比鋼材的質量輕，減小了抽油桿截面積，降低在抽油桿上下沖程時的阻力，目前已在中石油、中石化等油田廣泛應用[37，38]。2008年將近10%的新增抽油桿由碳纖維復合材料抽油桿取代，供需碳纖維420噸，到2010年按15%的取代量計算，需要碳纖維624噸。

20世紀90年代，鋼制管道的碳纖維修復缺陷技術興起。鋼制油氣管道在服役期間進行焊接修復風險較高，操作過程可能發生滲透、氫脆和冷脆，增加作業難度，采用碳纖維修復技術，在管道外加一個碳纖維加固層，以此來承載管道經向和環向壓力引起的膨脹，分擔壓力載荷，達到管道內外壓力平衡，從而實現管道修復目的。國內西氣東輸管道、東黃輸油管道、陜京輸氣管道及秦京輸油管道等已成功推廣應用碳纖維修復技術。

此外，碳纖維在海上鉆井平臺得到應用，與鋼制平臺相比除了力學性能優異，質量小外，碳纖維具有良好的耐腐蝕性，不生銹，在海水復雜環境中比鋼耐用，延長了使用壽命和維護周期。

5結語

2015年我國碳纖維理論設計總產能1.96萬噸，但實際產量3.7千噸，全為小絲束。碳纖維指標達到東麗T300水平，性能穩定性有待提高；T800、M40J、M50J仍處于中試或攻關階段。國際碳纖維技術對我國實行封鎖，利用高性能碳纖維盈利來彌補通用級碳纖維的虧損，對我國進行降價打壓，遏制國內技術發展，因而國內碳纖維企業基本處于虧損境地。

我國碳纖維發展建議：一是盡快制定碳纖維發展的整體規劃。避免低端重復投資，研發機構零散，隸屬關系復雜，不利于聯合開發、協同攻關。二是加強建立重點產業基地。以有實力、有基礎的大型企業為依托，建立健全碳纖維及其復合材料產業用技術體系，鼓勵高校、科研院所參與，通過政府支持鼓勵企業建立研發機構和研發團隊，引進人才，凝聚全社會力量，促進重點產業基地的科技進展。三是發揮區域合作優勢。以國家發展戰略為導向，以市場為紐帶，實現區域資源共享、原料互供、產業配套、協調發展，形成上下游產業鏈緊密結合的碳纖維及其復合材料產業鏈，促進碳纖維產業發展。四是建立評價和認證機構。國內不少企業能夠研發相當于T300水平的碳纖維，有的已開發T700、T800碳纖維，但質量穩定性存在很大問題，國內還沒有形成碳纖維及復合材料下游產品的質量監管體系、沒有統一的標準和產品評價，不利于產業發展。

隨著碳纖維在國家政策、產業化、應用開發方面的逐步完善，碳纖維需求量與日俱增，是較長時間內可持續發展的戰略性新材料，碳纖維工業增長潛力巨大，應進行長期技術及市場開發。

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中圖分類號：TS102

文獻標識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)02-0158-07

通訊作者：張元(1987-)，男，工程師。

基金項目：陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2015KTCQ01-56)

收稿日期：2016-02-25

第一作者：李建利(1982-)，女，碩士，工程師，研究方向：產業用紡織品的開發。