全球碳纖維市場與技術的最新發展

蘆長椿

摘要：全球碳纖維的供需市場呈持續增長態勢，本文簡要介紹了世界主要碳纖維生產廠家的產能變化狀況及新的技術動向，諸如低成本碳纖維的開發、納米碳纖維的應用以及可再生原絲資源的選擇等。

關鍵詞：納米碳纖維；低成本碳纖維；碳纖維復合材料；新應用

中圖分類號：TQ342+.74 文獻標志碼：A

Latest Developments of Global Carbon Fiber Market and Technology

Abstract： The global supply-demand market of carbon fiber has been expanding constantly. This article briefly introduced the changes in production capacity of some major carbon fiber manufacturers worldwide， and analyzed the latest technology and application developments of carbon fiber industry， such as the development of the low-cost carbon fibers（LCCF）， the application of carbon nanofiber and the selection of renewable precursor resources.

Key words： carbon nanofiber； LCCF； CFRP； new application

1 總體概況

據統計，2013年全球碳纖維（CF）的產能在12萬t左右，市場需求量在14.1萬t左右，日美及歐洲的10余家頂級生產商占據著全球碳纖維產量75%以上的份額。另據統計，2013年我國碳纖維產能達到了18 000 t，但實際產量僅有3 000 t左右。表 1、表 2 是對近幾年全球碳纖維名義產能的預測。

碳纖維的市場需求持續增長，預計碳纖維需求規模將從2013年的48 000 t上升到2015年的69 350 t，增長幅度達44.5%。其中，運動休閑用途的需求量將從8 000 t提高到8 800 t；航空航天用途將從8 000 t提高到10 200 t；工業用途的需求量則將從32 000 t提升到50 350 t，增長迅速。

依據2011年12月世界復合材料研討會（華盛頓）預測，2015 — 2020年間全球碳纖維市場仍將維持11%的年增長率，其中航空航天的需求量將增長51%，工業用途的需求量亦將增長77%。

2 碳纖維的市場供需狀況

2.1 碳纖維復合材料（CFRP）在航空航天領域有巨大的拓展空間

依據2011年航天材料和制造業供需會議信息，2011 —2020年間，全球將有14萬架飛行器投入使用，復合材料的需求將超過以往10年，增速達300%（按體積計算），年均增長率達16%。目前觀察纖維增強復合材料和航空航天制造業市場，更傾向于商業飛行領域，這其中，飛機制造業將會有 2 ～ 3 倍的增長。

2011年全球CFRP的市場規模約為43億美元，預計2020年將達到127億美元。東麗公司的研究報告顯示，大型商用飛機CFRP的使用量呈穩步增長態勢，2004年的使用量約為50%，2009年增加到60%，預計2020年將達到65%。其中，波音777的CFRP用量約10 t/架，而波音787投入商業運營時其CFRP的使用量已達到35 t/架；空客公司大型商用飛機的結構材料亦經歷著同樣的變化，即CFRP的使用已從空客A320的 2 t/架提高到A380的35 t/架。

聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酰亞胺（PEI）的碳纖維增強復合材料已廣泛用于航空航天產業。PEEK/碳纖維復合材料基體的熔點達335 ℃，具有良好的耐高溫性能，對廣譜有機和無機制劑的抵抗能力優良，但價格昂貴；PEI/碳纖維復合材料可承受200 ℃高溫的使用條件，其優良的阻燃性能和極低的燃燒發煙性能是航空飛行器內裝飾材料的上佳選擇，此外，PEI材料還具有極佳的絕緣性能，可抵御水解侵蝕并有效防護紫外線和γ射線危害。

PPS/碳纖維熱塑性復合材料具備十分好的強力和韌性指標，可在200 ℃高溫條件下連續使用，目前已成功用于航空領域，并有低成本的競爭優勢。目前這種材料已在Forkke-50飛機門底架及空客A340和A380的龍骨梁和托架材料上使用。A380型商用飛機采用了1 000多種PPS/碳纖維復合材料配件，其總重量超過2.5 t。以飛機座椅支架材料核計，每個PPS/碳纖維材料的座椅架重150 g，而使用鋁合金則重達280 g，這充分顯示了PPS/碳纖維復合材料在性能/重量比方面的優勢。

美國ASI公司提供的Pyrograf-Ⅲ系列產品，是一種高石墨化、低成本、細旦納米碳纖維（CNF），其纖維直徑范圍在70 ～ 200 nm之間，長度為100 μm，而常規碳纖維的直徑一般為 5 ～ 10 μm。該纖維具有獨特的結構特征，可改變碳纖維增強復合材料的機械性能、電導性能和熱性能。目前，使用Pyrograf-Ⅲ系列納米碳纖維的熱塑性或熱固性工程材料已在美國高性能軍用飛機F-35和全球鷹無人機上使用。表 3 為Pyrograf-Ⅲ系列納米碳纖維的技術特征。

2.2 CFRP在工業領域的應用強勁增長

依據復合材料預測與咨詢公司（CFC）的研究報告，從2011 — 2020年，全球碳纖維的總產量將增長235%，2015年產量將達到92 340 t/a，其中工業用途占75%，航空航天用途占15%。

2.2.1 汽車產業促進了低成本碳纖維的技術進步

隨著原油供給的波動，氣候變暖加上日益嚴峻的環境狀況，提高陸地運輸的燃油效率已成為人類生存與發展的焦點課題之一。預計2020年全球汽車的產能將達到 1 億輛，其中超級轎車5 000輛，豪華級轎車50萬輛，一般豪華級轎車500萬輛，普通轎車產量將接近9 500萬輛。汽車產業的巨大市場呼喚低成本碳纖維的研究與開發。而據報道，新一代乘用車使用的輕質化結構材料可使汽車運行時的油耗達到128 km/加侖的指標。

CFRP重量僅為普通鋼材的1/5，可減輕乘用車體的重量，從而提高燃油效率。碳纖維高昂的成本成為阻礙CFRP進入汽車產業的門檻。目前，航天用級別的碳纖維斷裂強度約為600 ～ 1 000 ksi，模量40 ～ 60 Msi，成本15 ～ 50美元/磅；標準級別的碳纖維斷裂強度約為550 ～ 650 ksi，模量32 ～ 37 Msi，成本 7 ～ 14美元/磅。依據美國ORNL實驗室的研究報告，低成本碳纖維的加工成本應從 8 美元/磅降至 5 美元/磅。采用低成本CFRP的乘用車重量可減輕60%，燃油消耗下降30%，CO2排放量減少10% ～ 20%。

現實的碳纖維生產中，原絲成本占總生產成本的比例最高，約為59%；其他，穩定化/氧化成本占13%，碳化/石墨化成本占19%，纖維表面處理成本占4%，卷繞工藝/包裝成本占5%。表 4 為低成本碳纖維開發工藝中部分可利用的原絲材料的技術特征。

在Zoltek與Weyerhaeuser公司合作開發的低成本碳纖維中，原絲材料選用了PAN與木質素混合原料體系。兩原絲組分木質素/PAN的配比選擇為15/85、20/80、25/75和45/55，其中木質素的極限含量不高于45%，原絲采用濕法成形工藝，其碳纖維成本可控制在 5 美元/磅。

美國ORNL實驗室與加拿大Lignol等公司合作開發車用低成本碳纖維復合材料，目的是提供輕質化的復合材料，以降低乘用車60% ～ 70%的車體重量。該項研究立足于天然可再生資源，即制漿造紙企業的副產品木質素，目前全球每年約可提供 2 億t木質素副產品，價格在1.1美元/kg上下。

木質素基碳纖維的加工成本構成大致為：木質素及其紡絲成形0.5美元/磅，氧化工序0.75美元/磅，碳化工藝0.65美元/磅，石墨化0.7美元/磅，表面處理0.1美元/磅，卷裝0.15美元/磅，總成本可控制在2.85美元/磅左右。ORNL實驗室的木質素基低成本碳纖維的商業化生產裝置預計2014年可投入商業化運轉。

Dow Chemical（陶氏化學）公司選用聚烯烴原料（PP或PE）替代傳統的PAN原絲，初始實驗得到的碳纖維總成本下降幅度達50%。ORNL實驗室以聚烯烴原絲加工低成本碳纖維的研究成果顯示，聚烯烴原絲的實際得率可達65% ～80%，原絲成本可控制在0.5 ～ 0.75美元/磅之間。

2.2.2 CFRP在風能透平上的使用

近年來，全球風能透平技術發展很快，特別是海上風能透平已由 3 MW進入 5 MW水平，其葉片長度可達45 m甚至更長。丹麥Vestas公司和西班牙Gamesa公司在CFRP葉片材料開發方面積累了豐富的經驗。減輕風能透平葉片的重量，可以改善負荷下裝置的運行狀態，提升運轉效率。CFRP葉片具有優良的性能/重量比，和傳統玻璃纖維復合材料（GFRP）相比，其固有的耐疲勞性能更具比較優勢。目前海上CFRP風能透平葉片長度可達45 m，其重量較之于傳統復合材料要降低約20%。

預計未來 5 年間，8、10 MW的風能透平機組可投入運轉，其配置的葉片長度可達80和100 m。長100 m、采用GFRP的葉片，其重量約為50 t，而選用CFRP其重量可以降低20% ～ 30%。考慮到碳纖維價格因素，使用玻璃纖維/碳纖維混合增強方式亦是可選擇的技術途徑。

據CFC公司預測，2019年全球將生產27 000臺風能透平和82 000片葉片，其中CFRP葉片將占6%的份額。通用動力（GE）使用24 K標準模量碳纖維制作的新一代風能透平機組，葉片長度為48.7 m；Zoltek公司計劃在目前13 000 t/a的基礎上，將碳纖維產能擴大到20 000 t/a，以滿足日益增長的風能透平市場的需要。

雖然如此，CFRP風能透平技術及其應用拓展仍面臨著葉片加工技術和碳纖維價格的挑戰，畢竟碳纖維價格昂貴，是傳統適用的玻璃纖維的10 ～ 20倍。

近來，Bayer（拜耳）公司開發了新型聚氨酯樹脂，即“Baytubes”產品，這是一種碳納米管的PU增強復合材料，旨在改善風能透平葉片的強度，據稱可比傳統環氧樹脂復合材料的斷裂韌性提升48%，而總制造成本降低16%。

2.3 碳纖維增強復合材料市場新的增長點

2.3.1 散裝天然氣的儲運與壓力容器

天然氣在全球能源消耗中約占1/4的份額，未來10年作為重要能源，其市場份額有望超過30%。散裝天然氣的貯運和大容量壓力容器的開發因此也成為業內關注的重點之一。

壓縮天然氣（CNG）是現實運輸產業燃油的可替代品之一，不僅清潔且具有最為廣泛的應用領域。2010年全球壓力天然氣、汽車用貯氫罐市場碳纖維的消耗量達1 480 t，預計2019年其需求量將增長 8 倍，達11 470 t。目前我國液化天然氣的對外依存度為8.53%，基于未來10年乃至更長時期的能源需求，國內液化天然氣的對外依存度可能將達到50%以上。

（1）散裝天然氣的儲運和使用

目前全球范圍內行駛的壓縮天然氣動力汽車預計已達1 000萬輛，其中美國城際間的CNG動力車已占20% ～ 25%。一般情況下，每輛汽車需配備 1 ～ 2 個供給單元，每個單元需配置 2 ～ 4 個CNG貯罐。容積120 L、使用壓力200 bar的CNG貯罐大約需要20 ～ 22 kg碳纖維，散裝運輸的CNG壓力容器直徑達 1 m，長度12 m，容積500 L，貯罐重量僅為鋼質容器的1/5 ～ 1/3。較低的瓶體重量和較高的使用壓力可有效降低壓縮天然氣的運轉成本。預計2014年全球散裝CNG運輸壓力容器使用的CFRP材料將耗用5 000 t碳纖維。表 5 為使用不同材質的CNG容器的性能比較。

散裝天然氣壓力容器通常在5 000 psi條件下使用，結構設計極佳的容器的使用壓力可達10 000 psi。Lincon公司生產的標準天然氣壓力容器可以滿足ISO的品質要求，容器長40英尺，每只貯罐需耗用5 000磅CFRP。

Trans公司的CFRP壓力貯罐長20或80英尺，適用于駁船拖車和鐵路運送，其重量約為38 000磅，較之于鋼質容器要輕40%。近來歐洲天然氣供給格局面臨調整，歐盟、烏克蘭和土爾其每年使用的1 500億m3俄羅斯天然氣，將取道海路由美國運至歐洲，為此歐美需要添加200艘液化天然氣海上運輸船支（每條船的運送量以17.4萬m3計算，造價約1.9億美元）。縱觀當今世界造船業，歐美雖有能力建造液化天然氣運輸船只但已退出該項業務多年，目前只有韓國、日本和中國具備大量建造這種船的能力。其中，韓國造船業訂單較多，而日本為了應對核事故，國內使用天然氣能源的呼聲高漲，因此造船業先得滿足其國內需求，這就給我國的造船業及相關復合材料的開發帶來新的機遇和挑戰。

（2）儲氫容器

汽車工業的發展需要安全高效的貯氫技術，目前壓力為37 ～ 70 MPa的壓力貯氫容器已實現實際使用。美國Quatum和波音公司合作開發的10 000 psi壓力貯氫容器的技術性能亦已達到美國國家能源局（DOE）的要求。表 6 為壓力貯氫容器的技術特征。

高壓液相貯氫容器使用的CFRP，多系航空航天級別的碳纖維，通常復合材料要承受23 500 psi的頂破強力試驗。選用的高端碳纖維材料為24 K，抗張強力700 ～ 1 000 ksi，抗張模量33 Msi，拉伸應變2.1%，單絲直徑 7 μm，接近東麗公司T-700水平。

使用高性能碳纖維的復合材料，成本因素制約著貯氫容器的使用，如T-700價格達15美元/磅，而一般商業級碳纖維價格僅 8 美元/磅。Quatum公司開發的10 000 psi壓力貯氫容器，其原料碳纖維的成本擬不超過10美元/磅，貯氫能源消費價格擬為10美元/（kW？h），而規模化生產后市場可接受的消費價格僅為 5 美元/（kW？h），因此貯氫容器的大規模推廣應用還需要時間。

為給車用燃料電池提供安全高效的能源，美國DOE要求壓力容器的貯氫量與容器的總重量比不低于6%。近年來采用物理吸附方法的貯氫技術取得了一些進展，以納米碳纖維為介質、氣相物理吸附氫的方式，吸附能力是高壓液相貯氫能力的兩倍以上。

物理吸附貯氫工藝使用的納米碳纖維的單絲直徑分布為5 ～ 500 nm，纖維長度 5 ～ 100 mm。吸附于常溫、12 ～ 15 MPa下完成。貯氫容器的納米碳纖維的裝填量 21 ～ 30 kg，貯氫能力10% ～ 15%（wt%），要求乘用車可連續行駛500 km。2.3.2 海洋再生能源的利用

據統計，目前全球約有15個國家和地區的100余套海上能源轉換裝置在運轉中，其中英國計劃在2011 — 2015年間安裝300 MW海上能源裝置，預計海浪能的成本控制在0.48美元/（kW？h）以內，潮汐流能成本在0.39美元/（kW？h）以內。

海上再生能源轉換系統十分類似于水下風能透平裝置，大致可分為 4 種類型，即：（1）潮汐流能量轉換系統（TISEC），主要包括臥式軸向能轉換透平、立式軸向能轉換透平、震蕩式水力翼柵能轉換裝置；（2）海浪能轉換系統（WEC）；（3）陸風能轉換裝置；（4）海洋熱能轉化系統（OTEC）。

依據美國國家再生能源實驗室（NREL）的研究報告，20%的海洋能源在運轉效率50%的條件下，就可以取得相當于傳統水電的能源。清潔的海上再生能源的利用將降低溫室氣體的排放，有助于改善人類的生存環境，預計海洋能將占美國能源需求的20%。

海浪是重要的海上可利用再生能源，海上能源的開發利用孕育著巨大的潛力。以加拿大為例，其海上能源勘測顯示，西部海域潛在的海浪能源達56 000 MW，潮汐能源達4 014 MW，預計2050年加拿大海洋能源的利用可達到15 000 MW。

加拿大Marine公司在愛爾蘭建設了1.2 MW的潮汐流能源轉換系統，并計劃再安裝 3 臺1.2 MW潮汐流透平，以滿足3 000戶溫哥華居民使用。2014年，2 MW“Seagen-F”潮汐流透平在美國和加拿大投入運行。Verdant公司的潮汐流透平亦已在運轉中。

目前運轉中的40 MW小型海洋能轉換裝置基本分布于歐洲和北美地區，還有超過100家的海洋能工程計劃施工，其中基于潮汐方式的裝置占60%，利用海浪能的方式占40%。2013年，70 MW規模的海洋能轉換器亦在建設中。表 7 為50 MW潮汐流能轉換裝置投資成本的構成。

海浪和潮汐流能轉換裝置的使用壽命一般為20年。海洋能源的成本構成中，設備成本海浪能占31%，潮汐流能占13%；基礎與系泊部件分別占6%和14%；運轉和維修成本分別占17%和19%。CFRP具有強度/重量比優勢，可有效改善海浪和潮汐流能轉換裝置的設備結構，最大限度地降低維修工作量，提升海洋能源利用的成本效率。

3 碳纖維技術進步的新動向

3.1 納米碳纖維開發、生產和與應用已初具規模

航天器的動力和推進系統，使用高性價比的復合材料可以有效改善飛行器的性能和效率。美國航空航天局（NASA）立足于傳統聚合物工程方法及納米技術，即以納米碳纖維為增強相、用以改善航天用復合材料機械性能的研究取得了新進展，如使用PR-19型納米碳纖維的聚酰亞胺復合材料的耐老化性能可提升40%。

近來，納米碳纖維在貯氫容器上的使用也展示出其獨特的性能與高效率的特點。采用CFRP材料的壓力貯氫容器能力可達5%，而以納米碳纖維為介質，采用物理吸附方法，其貯氫能力可超過6.5%的指標，達到15%。依據美國國家能源局的預測，目前全球納米碳纖維的需求量約為1 500 t，這種材料的市場需求和發展潛力十分可觀。

3.2 對低成本碳纖維與高品質碳纖維生產技術的追求

據統計，美國運輸車輛的燃油消耗約占其石油消費的70%，每年全美道路車輛的CO2排放量高達18.5億t；我國汽轎車的產銷量已達2 200萬輛，燃油消耗的依存率60%，汽車尾氣排放亦是1/4國土面積霧霾籠罩的重要因素。提高乘用車的燃油效率已成為人們的共識。減輕乘用車10%的重量，約可提高6% ～ 8%的燃油效率。因此，使用低成本的碳纖維復合材料，是提高汽車燃油效率的最實際途徑。

汽車市場呼喚低成本碳纖維生產技術的進步，而碳纖維的產品品質亦需不斷地改善和提高。上世紀80年代，碳纖維表面缺陷的控制一般在微米水平，90年代碳纖維表面品質的控制提高到亞微米水平，進入21世紀已經達到了納米級。對高品質產品的不懈追求無疑促進了碳纖維行業的穩定發展。

3.3 碳纖維技術進步需要全產業鏈合作

碳纖維的生產、供給與應用需要持續投入，它要求碳纖維生產和應用方共同面對不斷變化的市場需求，需要碳纖維原絲、纖維生產、復合材料設計與開發以及終端應用的全產業鏈合作，以實現最佳的成本效率。近年來，在低成本碳纖維的開發中，出現了東麗公司、戴姆斯勒公司以及專注于高端復合材料研究的ACE公司合作，陶氏化學、美國福特汽車和ORNL實驗室的合作案例，從這些案例可清晰地看到碳纖維未來發展亟需的合作理念。

4 結語

我國從事碳纖維研發工作已有近50年，盡管目前國內已有30余家碳纖維企業，名義產能不小，但從產品品質、成本效率等方面考量，尚不完全具備工業化大規模生產的水平。高端纖維材料的研究與開發，需要人員與資金的持續投入，亦需要科學的發展理念。

參考文獻

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