碳纖維及其復合材料市場現狀和展望

張國鋒

摘 要：如今，國際復合材料行業正在擴張，未來五年，來自更高級別公司的先進復合材料將以每年5%的速度增長。因此隨著民用和汽車工業的快速發展，全球高碳地區的需求年增長率可達10%，亞太區域的增長將加速，由于我國對碳纖維生產線的需求不斷增加，碳纖維設備將比碳纖維和復合材料更快地被進口所取代。碳纖維化合物在海洋工程、航空航天、汽車等領域有著良好的應用前景，而碳纖維化合物的價格卻在不斷下降，因此碳纖維化合物的應用將會越來越多。本文介紹了我國碳纖維及碳纖維工業的現狀、存在的問題及發展趨勢。

關鍵詞：碳纖維需求;碳纖維工業的現狀;碳纖維化合物

碳纖維是一種直徑較大的連續長絲材料，它是近年來發展起來的一種新材料，目前復合材料中主要使用聚丙烯腈和粘土碳纖維。原材料：聚丙烯腈骨料和瀝青前體，通過特殊焦化和復合碳化工藝生產。碳纖維的軸向拉力輕、受力大、熔融含量高、化學穩定性好，因為在煉焦過程中，纖維沿軸向長方向延伸，并與軸向長方向相適應。以高性能樹脂為基礎的碳纖維和復合材料是目前使用最廣泛的結構化合物之一。此外，天然纖維和玻璃纖維的使用也在迅速增長。

1 我國碳纖維工業的發展

1.1 工業技術現狀

從“零碳纖維”到“碳纖維制備”的十余年來，已經實現了從“零”到“制備”的重大轉變。由于在國家科技示范和產業化計劃支持的條件下，前所未有的變化從此出現在產業化建設中，碳纖維及其組分的快速發展可以有效地降低國防建設對高性能碳纖維的迫切需求和解決部分碳纖維構件存在的問題。目前，T300-FOI碳纖維已經產業化，其產品已成功應用于航空航天、武器技術等領域，并帶動了國內市場，1000t T700碳纖維生產線及產品進口評估，高強度T800碳纖維片材構件內部生產線的建設與生產;高模塊、高碳力的產業化尚屬空白，項目還在進行中進展。那個中高強度模塊和高纖維高抗碳模塊的關鍵技術有待解決。

截至2014年底，中國有近40家碳纖維廠，總設計產能為16600t。建設6000t產能（含原絲產能）和7500t碳纖維生產線（含原絲產能）。生產線企業4.1萬t，企業（或企業聯合體）5500t。主要產品為聚丙烯腈基碳纖維，帶小絲束的12K型。

據統計，2007年以來，國內碳纖維生產每年都在增加，從2007年的約200t增加到2014年的2600t。然而，釋放生產能力的問題仍然是一個令人嚴重關切的問題。一方面，我國的碳纖維工業充斥著不適當的勞動、閑置的設備、浪費的能力和高生產成本;另一方面，在國際碳纖維行業巨頭的蓄意壓力下，碳纖維的價格一次又一次的下跌，甚至下跌。碳纖維公司面臨著高水平的生產和損失。今天，我國碳纖維企業長期面臨“內憂外患”，大多數企業幾乎要減產甚至停產。

1.2 主要挑戰

目前，與發達國家相比，我國碳纖維的技術、設備、品牌、特性等還不足以提高產量和質量。主要問題包括：

1.2.1 雙層建筑，能力利用率低

在具有國際競爭力的九大碳纖維生產商中，日本三家，美國兩家。近年來，在國家政策的引導下，我國碳纖維產業從碳纖維工程中誕生，目前我國碳纖維行業已有30多家碳纖維企業。很多企業投資建設，但同時，低層次投資同質化現象居多。炭工業的健康發展受到以下因素的嚴重阻礙：創新能力不足、生產力低、利用率低和競爭力低。

1.2.2 技術相對落后和產品質量差

目前，我國的碳纖維工業相當于1980年代外國碳纖維公司的工業，缺乏有產權的基本生產技術。系統名稱技術多樣化且不完善。生產工藝路線單一，生產工藝穩定性差，能耗高，物料消耗大，成本高。同時，由于我國碳纖維產業缺乏創新設備，原有創新能力較差，這就導致家用碳纖維制品的穩定性和可靠性較低，而且在制備低碳樹脂產品的過程中應用不當，因此有高水平產品的產業化程度及與國際同類產品的主要差異。

1.2.3 市場技術自主發展的應用，缺乏工業牽引

我國碳纖維的使用與碳纖維的制備無關，碳纖維上下游發展極不平衡。幾乎完全依賴進口纖維，國家碳纖維產業發展缺乏足夠的激勵措施，直接導致碳纖維公司活動率低，大量能源浪費。同時，在碳纖維化合物的設計、制造和應用方面與世界各發達國相比還有很大差距。這個直接制約了國產碳纖維化合物在高質量產品中的應用和擴大工業。因此，應進一步提高復合材料及制品的設計制造技術，開發市場下游的碳纖維。與金屬材料或其他工程材料相比，碳纖維化合物具有許多優異的性能。

例如：

①材料性能的可剪裁性大，大多數碳纖維增強塑料可以通過增強纖維的取向和數量來適應建筑材料的性能，為了得到更好的性能結果。例如，化合物可以設計成在主驅動方向上有足夠的引導來傳輸加載。在其他方向也有適合承載剪切荷載或其他荷載的纖維。通過不同的成型工藝可以形成多纖維取向結構。復合材料的可加工性不僅可以提高材料的加工效率，而且有助于將材料的結構和生產集成到結構中，這不僅簡化了生產過程，而且降低了生產成本;

②多種成型工藝選擇，工藝經過幾十年的發展而成，有高壓釜法、成型法、纖維纏繞法、注射成型法等幾十種不同的成型方法工藝，實際應用可以根據零件特性、材料種類、生產尺寸和與成本相適應的成型方案來選擇;

③良好的抗疲勞性能，其原因是當裂紋由表面向內層擴展，當碳纖維布到達纖維取向層時，纖維取向層出現裂紋擴展，極大地提高了CFRP的疲勞強度。結果表明，鋼和鋁的疲勞強度為靜強度的50%，而碳纖維織物的疲勞強度高達90%。

2 關于碳纖維復合材料的使用

碳纖維適用于航空航天對高材料的要求性能。在近年來，隨著碳纖維化合物優良性能的認可和接受，其在能源應用、交通運輸、汽車、海軍、建筑等工業領域發展迅速。

航空應用。為了提高飛機性能，美國空軍材料實驗室從20世紀50年代開始尋找一種新型結構材料。碳纖維復合材料是基于對玻璃纖維復合材料的理解和經驗，正是在此背景下被列入發展計劃的，對碳纖維復合材料進行相應的研究與開發，因此研究高密度和低密度的改良纖維是開發高性能纖維復合材料的先決條件。在碳纖維之前，已經開發出硼纖維，1960年開始少量生產，其直徑約為100微米的鎢芯硼纖維，其彈性模量達400GPa，抗拉強度為3800MPa;經過循環氧改善的硼纖維。是40GPa玻璃纖維化合物的彈性模組（相對密度為1.8%）的五倍，約鋁合金的（相對密度為2.7）的彈性模組為70GPA（相對密度為2.0%）的三倍。因此，實驗室將經過氧化硼改良的硼纖維復合材料視為美國空軍材料中的先進復合材料，并于1960年代后期開始應用于飛機結構，如飛機尾部的橫向和縱向結構等。然而，硼纖維的生產過程既復雜又昂貴，而且硼纖維本身也很難操作。在這一基礎上，我們已開始發展碳纖維復合材料，到了60年代末，我們成功地開發了碳聚丙烯腈纖維，并實現了大規模生產。自那時以來，碳纖維復合材料一直用于這一領域。航空航天碳纖維（CFRP）是非常合成的，被認為是空間結構的理想材料。近四十年來，碳纖維化合物在航空航天領域的應用取得了很大的進展。

3 結語

綜上所述，鑒于上述情況，我國碳纖維工業正處于發展的關鍵階段。隨著國際碳纖維產業的快速發展，我國也迫切需要高性能的碳纖維產品。國家碳纖維公司需要更明確地界定其在國防、民航、勞工等高端航空航天工業中的主要創新地位。為了適應我國的需要，實現我國碳纖維產業的快速健康發展，必須發展低成本的高性能、高穩定性的碳纖維產品的大規模生產和實際應用。我國碳纖維及其復合材料工業的發展任重道遠。

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