全球碳纖維生產、應用現狀和趨勢（一）

國內外消息

全球碳纖維生產、應用現狀和趨勢（一）

玻璃纖維曾經是聚合物復合材料之一，過去只是考慮如何改變玻璃的成分，優化“涂膠（sizing）”化學過程，改善其界面性質，以提高其模量／強度、抗腐蝕性能（包括抗堿性能）等。在過去20年里，曾將傳統的玻璃纖維增強材料生產技術不斷創新，使其商業應用逐步擴大。碳纖維的出現使復合材料用戶多了一項選擇，但它較玻璃纖維價格昂貴，只在風電業中因其性價比較好，從而獲得發展。

40多年前，聯碳公司以粘膠纖維為原料開發了碳纖維，并開始在航天業中應用。20世紀90年代以來，其價格下降，使其在航天業中應用擴大。性價比的變化，使碳纖維開始滲入原來使用金屬的行業，因為碳纖維質量較輕、強度較高，車輛如用了它，可節省燃料。碳纖維增強塑料（CFRP，為Carbon Fiber Reinforced Plastics的縮寫）于20世紀80年代和20世紀90年代初開始向汽車業、運動器材業、民用基礎設施、近海采油業和風電業等部門延伸。

CFRP及GFRP（為Glass Fiber Reinforced Plastics的縮寫）與傳統金屬材料中的鋼和鋁相比較，有明顯的優勢。首先是比重低，CF為1.8，GF為2.56，而鋼和鋁分別為7.8和2.7；CF的比重不到鋼的四分之一，為鋁的三分之二；其次是強度高，CF的強度為鋼的5倍，鋁的7倍；而且，CFRP較GFRP的抗疲勞性能和剛度要好。所以，CFRP是一種21世紀超過GFRP的創新材料，使得它在制作風電透平葉片時，具有較強的吸引力。

碳纖維的前置體

CF的前置體早先為粘膠纖維，后來杜邦公司證實用聚丙烯腈（PAN）為前置體，可產出熱穩定性良好的CF。日本Shindo公司和英國Watt公司開發了碳化工藝，使所產CF具有較好的機械性能。簡言之，凡在高溫熱解時，能產生優質碳的前置體，都可用來生產CF。目前廣泛使用的前置體是PAN和瀝青（粘膠纖維雖不用作結構材料的CF，但仍用于制作絕緣材料和“燒蝕（ablative）”材料的CF）。現在全球80%的CF來自PAN，以瀝青為前置體的CF廠商多位于日本。以瀝青為前置體生產CF時產率較高，接近80%，而PAN制CF的產率僅50%，這是由于瀝青含碳量高達93%，而PAN含碳量僅為68%。據稱，PAN基的CF機械性能較好。瀝青是石油或煤焦油蒸餾的副產物，其質量和組成常有變化，因而用得較少；而PAN則是用丙烯和氨合成為丙烯腈，再經聚合而成，其質量可保持一致。

CF的分類

CF通常根據絲束中所含絲數來分類，可分為：小／常規絲束（3K，6K和12K），大絲束（24K，8K，57K和80K）。如12K即絲束中所含絲數為12 000根。小絲束CF多用于航天領域，要求其機械性能優良。大絲束CF用于產業領域，其機械性能保持合理水平即可。24K CF現也在航天領域中應用，并擴展至風電業作增強材料用。

如按用途分，CF可分為航天領域用和非航天領域用兩大類。

CF的發展和演變

1980年，全球CF的市場需求約為1 kt／a TPA，主要用于航天業。1990年開發了較廉價的PAN為前置體，促使CF發展迅速。1991年，CF的市場需求增至5 kt／a TPA，1995年，為9 kt／a TPA，2000年增至13 kt／a TPA。到了21世紀，其需求加速，頭7年里，年增長率為16%～17%，需求量為30 kt／a TPA，2010年，預計其需求量將達到45 kt／a TPA。2007－2008年，隨著石油價格的升高（135美元／桶，或更高一些）和經濟下滑，使得波音公司生產的787型夢想客機延期交貨，空中巴士A350（波音787型夢想客機的競爭對手）也要延遲到2014年才能商業運行，這些都導致了航天業對CF需求的下降。目前，波音787型夢想客機已于2009年12月完成試飛，將于2010年4季度開始商業生產，自2013年起，每月將滿負荷地生產10架；由于它和空中巴士A350都要使用CF，再加上CF已在產業領域里的廣泛應用，而2006－2007年以來，CF的價格持續下降，使得小／常規絲束的CF供不應求。因為CF生產裝置的建設至少需要15個月，致一些航天業領先CF廠商提前擴建，新增的生產能力要到2010年才能滿足需求。

隨著CF需求的增長，要求它在生產中，改善工藝參數，提高生產率，在保持性能的前提下，降低成本。CF的產量主要取決于生產線的速率（m／min）和氧化爐的設計／工藝參數。過去4年里，已在這方面做了大量工作，使CF的成本有了降低。

根據2009年的實績和對2014年的預測，全球各領域的CF耗用份額（%）如表1所示：

表1 全球各領域的CF耗用份額 ，%