最佳实践：中国碳纤维产业概述.pptx

1,1,最佳实践：中国碳纤维产业概述,机密,总论,碳纤维概述：世界上对碳纤维的研究始于1860年的英国目前世界各国发展的主要是pan基碳纤维和沥青基碳纤维国际上pan基碳纤维的生产，从20世纪60年代起步，90年代的飞速发展，到21世纪初其生产工艺技术已经成熟起初，碳纤维主要用于军工和宇航，经过40余年的发展，其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大。碳纤维产业链很长（详见碳纤维产业图）中国碳纤维产业概述中国碳纤维研究从上世纪60年代开始，“十五”期间第一条生产线投产，2008年在国家政策支持下，大批企业开始建设国内碳纤维技术总体在t300水平，t700产品目前只有个别企业可以微量生产。国内产品存在质量不稳定的普遍现象，加上产品应用主要集中在体育用品领域，随着这一市场的饱和，国内近半数生产线闲置，下游应用产品开发不足的现状日益突出。目前国内生产企业有30多家，以下游应用开发为主的企业不到20家。,2,总论,4.碳纤维应用现状我们的碳纤维应用以体育用品为主，工业领域和航天军工领域均低于国际平均水平随着工业的发展，工业领域在风电叶片、机械工业及建筑行业的需求将大幅增强，年平均增速25%左右军用产品对碳纤维增强、减重等特性需求明显，市场空间巨大5.碳纤维投资风险和建议碳纤维行业具有投资高、周期长的特点产品质量和市场容量对投资收益存在较大影响6.政策优势国家从863计划开始注重碳纤维产业发展，“十二五”规划提出了发展新材料的具体目标，在政策上具有较强的优势,3,总目录,碳纤维概述中国碳纤维产业概述碳纤维在军事装备方面的应用、需求量预估、成本对比,4,碳纤维概述碳纤维重要性介绍：国家战略性材料碳纤维发展历程碳纤维分类碳纤维理化性能碳纤维应用领域中国碳纤维产业概述碳纤维在军事装备方面的应用、需求量预估、成本对比碳纤维投资风险和建议政策优势,5,综述,碳纤维作为一种高分子材料，其低密度、强度大、耐高温等特性，使其成为各国争相发展的金属替代材料，无论在民用，还是军工领域都具有巨大的市场空间。从原料体系上看，碳纤维可以分为黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维三种，目前应用最为广泛的是pan基碳纤维碳纤维自19世纪开始出现，到21世纪被广泛应用，期间经历了起步期、稳定期、发展期等阶段。目前国际上最先进的技术集中在日本和美国。碳纤维目前的大范围应用主要集中在体育用品领域，但使用量已趋于下滑，工业和航空军工领域的使用量正在急速增长,6,碳纤维作为一种高分子材料，其重量是钢的1/4，强度是钢的7-9倍，在2000度高温时性能不改变。,7,碳纤维主要产品纤维布料预浸料坯切短纤维,2.碳纤维的主要性能低密度耐高温耐腐蚀耐摩擦抗疲劳,震动衰减性高电及热导性高热膨胀系数低x光穿透性高电磁屏蔽性,碳纤维是国家战略储备材料，亦是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料,8,碳纤维不仅属于多学科、多技术的高新技术产品，而且属于高能耗、高附加值的新产品。流程长、学科多、技术交叉，是技术密集型产品生产1kg碳纤维的能耗为478.469mj，是铝的2倍，铜的5倍，钢的20倍，玻璃纤维无捻纱的15倍在聚丙烯腈基(pan)碳纤维中，日本东丽公司的碳纤维为国际公认的代表性产品，分为t系列(碳化产品)、m系列(石墨化产品)，规格有t300、t700、t800、t1000等,军用：军工隔热材料美军空军基地用于解决火箭喷管和载人器鼻锥的耐烧蚀材料，用于隔热（耐烧蚀材料和隔热材料，应用于军工(如导弹)和航天领域，重要的战略物资）,民用：导电材料、医用材料利用柔性和导电特性制作电热产品；利用孔隙结构和容易调控的特性制造活性炭纤维系列制品，很好的环保材料和医用卫生材料,国家战略性材料在日本，碳纤维工业已成为该国十大高技术产业之一碳纤维在国际上被称为继石器和钢铁等金属之后的“第三代材料”,碳纤维发展历程,9,碳纤维分类：从原料体系上看，碳纤维可以分为黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维三种,10,发展背景：20世纪50年代，美国研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能，急需新型结构材料及耐烧蚀材料，使碳纤维重新出现在新材料的舞台上原料：碳纤维可分别用粘胶丝(或酚醛纤维)、聚丙烯腈纤维、沥青纤维经碳化制得,并逐步形成了生产碳纤维的三种原料体系产品：碳纤维有四种产品形式：纤维、布料、预浸料坯和切短纤维,黏胶基碳纤维：主要用于电热产品和军工隔热材料，产品不足世界碳纤维总产量的1%，但有一定的不可替代性。,聚丙烯腈（pan)是碳纤维产业链的核心；此外，沥青基碳纤维有独特的应用,11,聚丙烯腈基碳纤维：当前碳纤维的主流，pan基碳原丝质量是制造高性能碳纤维的前提。典型技术：日本东丽公司-刚开始研究失败，其原因是采用了质量较差的民用腈纶；第二次研究就狠狠抓住原丝质量，原丝质量突破为东丽公司碳纤维事业的发展铺平了道路。从日本东丽公司的发展史可以清楚地看到一点：谁掌握了制造高质量pan原丝的技术，谁就掌握了主动权,沥青基碳纤维：目前碳纤维领域中仅次于pan基的第二大原料路线，日本群马大学技术成熟,沥青基碳纤维特性反向热膨胀系数和超高的模量热传导性能、散热好增加强度、低密度低密度、高热导及耐磨稳定性、耐磨,独特应用空间技术和人造卫星领域电气设备运载火箭军事材料、器械制动片,碳纤维理化特征总体介绍：,12,具有出色的力学性能和化学稳定性目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维是在2000以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其它主要结构材料(金属及其合金)所无法比拟的低密度耐高温耐腐蚀、耐摩擦抗疲劳震动衰减性高电及热导性高热膨胀系数低x光穿透性高非磁体但有电磁屏蔽性,碳纤维应用领域：以不同基体材料制成的碳纤维在不同领域应用广泛，但目前树脂基碳纤维市场份额较大,13,碳纤维目前的大范围应用主要集中在体育用品领域，但使用量已趋于下滑，工业和航空军工领域的使用量正在急速增长,14,国内碳纤维主要应用领域,从应用上看，几乎所有门类的产品都与碳纤维有关联；但碳纤维很少直接使用，多是经深加工制成中间产物或复合材料,15,由于碳纤维抗冲击性和高温抗氧化性较差，除用作绝热保温材料外，碳纤维很少直接使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。在刚度、重度、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温，化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料具备不可替代的优势。,碳纤维及复合材料的应用领域：航空航天、文体器材,16,碳纤维及复合材料的应用领域：医用器材、新能源、土木建筑,17,碳纤维及复合材料的应用领域：汽车与火车、电子电气及仪器、机械和其他方面,18,举例1：在汽车及交通运输领域，利用碳纤维能够起到很好的减重节能效果,19,世界铝业协会的报告指出：汽车自重每减少10%，燃油消耗降低6%-8%。以一辆2.0排量的家用轿车为例，车重一般为1.6吨，平均油耗14l/km，碳纤维使车重减半，平均油耗降为8l/km。性能提高，一般轿车100km时速刹车距离为40米左右，碳纤维刹车盘能在50米内将f1赛车从300km的时速降到0.福特在1979用碳纤维增强材料制造的样车，质量由170kg减到1135kg，减重33%，好友公里数由17mile/usgal增加到24.7mile/usgal，效率提高44%,举例2：碳纤维在建筑和住宅材料方面的应用,20,沿海建筑要求耐蚀性：海堤、桥梁隧道、海上工程、建筑工程等采暖地板：导电性,桥梁维修建筑补强隧道码头文物建筑,建筑及住宅材料,维修加固材料,举例3：碳纤维作为电磁屏蔽材料，在军民两方面都有广泛用途,21,计算机、移动通讯的普及，电磁污染已成为一大公害电子元件高度集成化、高速化、使干扰电波发射和接受的危害增大动作失误：电子仪器集成化、小型化和数字化，信号电平小，易受外界电磁波干扰而使动作失误电子仪器外壳塑料化，对电磁波的屏蔽性能下降,研制电磁屏蔽材料及其部件，使他们既不向空间发射干扰波，也不受空间干扰波的干扰而影响工作，对军队指挥系统有重大的实用价值碳纤维增强材料可用来制造电子设备的屏蔽壳体碳纤维增强水泥和增强木材可用来制造建筑材料的屏蔽室，既不受外部环境电磁波的干扰，室内的电磁波被墙壁面吸收防止电磁波干扰，机密泄露,电磁波干扰的产生及危害,电磁屏蔽材料,举例4：碳纤维在医疗器械领域，可以实现军民两用，比如：外包扎带在国外进行了大量实验并取得预期效果，并已进入市场,22,用碳纤维制造医用外包扎带的生产工艺,23,碳纤维医用外包扎带具有一定的拉伸强度和模量，柔性好，可直接包扎伤口具有吸附灭菌功能，伤口不会发炎大大缩短愈合期具有一定的吸湿性，不会与伤口粘连，更换包扎带时不会给患者造成痛苦质量轻，使用方便，可自带自救清洗后，可重复使用包扎带的尺寸可以任意裁剪，可以是窄带、宽带或者是大小不等的布块，根据外伤面积或受伤位置任意使用透气性好，有利于伤口的愈合国外已经采用如上工艺流程批量生产，且在战场伤员和普通患者得到实际应用,举例5：碳纤维密封填料方面的应用,24,密封填料替代有毒的石棉密封填料耐高温、耐高压、耐磨损、热膨胀系数小、自润滑、使用寿命长等具体应用：化学化肥、石油化工、发电能源、轻工造纸和纺织机械等许多领域碳纤维密封填料的制造方法：原料采用聚丙烯腈基预氧化碳纤维，如下图,举例6：碳纤维在特种服装方面的应用,25,预氧丝经纺纱织布得到的布柔软性、服用性好，形状不易变形，尺寸稳定，适用于制造各种特殊服装,pan原丝经预氧化处理后，由线型大分子链转化为耐热梯形结构，耐热性显著增加表面经贴铝箔或喷镀铝后，可以加工成炼钢服、消防服和焊接服,医务人员农药制造、喷洒农药以及从事有毒物质的相关人员核工业航母平台工作人员,耐燃织物及特种服装,防毒服、防化服,举例7：活性炭、活性炭纤维及其深加工制品广泛用于环境保护，在净化气体、水及回收有机溶剂方面得到了实际应用,26,净化气体：提高了吸附速度和吸附容量净化水：纤维状活性炭比粒状活性炭对水中残留氯的分解速度快得多脱硫及回收硫酸,举例8：碳纤维复合材料的杨氏模量高、比模量大，在声乐器方面可以大量使用,27,音响器材扬声器：将电信号转变为声信号。扬声器的纸盒是电声转换的关键元件，制造材料需具备：轻质、高刚性和无共振。密度小：转化率高，有利于纸盒震动杨氏模量大：拓宽有效频率范围内部损耗大：减少失真度碳纤维满足以上三个条件，是制造扬声器较好的材料磁头套音板乐器：木琴等强乐器的响板笛、萧等拾音壁,举例9：碳纤维在传统机械方面的应用，如：轻纺、造纸,28,利用碳纤维可以制造剑杆织机的剑杆和剑头，特点：质量轻、运动惯性仅是木制品的1/10；减振吸能，噪声小，改善工作环境使用寿命长，停机维修次数少，使生产效率提到到40%以上碳纤维复合材料可以用来制造：梭织机的打梭棒和梭降低冲击产生的噪声，延长使用寿命消除静电刷,举例10：碳纤维在其他方面的应用,29,体育娱乐器材：钓鱼竿、网球拍、羽毛球拍、自行车等新电源太阳能领域：风电叶片等伞架理发工具（防静电）眼镜框架：用碳纤维复合材料做的眼镜架，质量轻，不变形，重量在20g以下铅笔芯：在铅笔原料中加入1%(体积分数)的短切纤维，可使折损强度提高59%手提箱：耐压抗划，防盗窃长跨距架设管道横跨长江大河、公路和铁路等大跨度架设水管、煤气管或天然气管集中供热管道,碳纤维产业概述中国碳纤维产业概述国内碳纤维产业发展概述总体情况介绍：研发、生产、应用、成本等碳纤维研究机构碳纤维生产企业碳纤维应用企业碳纤维在军事装备方面的应用、需求量预估、成本对比碳纤维投资风险和建议政策优势,30,国内碳纤维产业概述,31,目前国内碳纤维生产企业30多家，2011年实际产量1500t，仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4左右技术：国内技术相对落后，多数为t300水平及以下水平，而且很多企业产品质量不太稳定，部分企业t700以上产品已经微量生产，国内高端产品仍然需要进口。国内科研攻关以中科院、航空四院、航天大学、哈工大为主，并以中国恒天、中钢吉炭、吉林化纤为主在吉林形成了碳纤维产业基地国内应用比例：体育用品65%，工业建材31%，航空军工仅4%左右。目前受下游应用成本高、渠道少制约，很多企业产能近半闲置。,国内碳纤维集中处于t300水平，且多数企业产品质量不够稳定；应用上受制于成本和应用产品的拓展，市场不足,32,国内碳纤维生产概况国内碳纤维技术总体处于t300水平，t700及以上只能自主生产少量产品国外技术封锁，不可能直接买来核心技术，但日本近年受经济萧条影响有些技术交流t300技术碳纤维产品2011年全国实际产量约1500吨，但随着前期投建的企业陆续投产，总体产量会在2012年以后有较大突破t700碳纤维有中简科技通过技术鉴定，t800产品已在近期由江苏航科实现25吨生产线投产产品应用市场亟需拓展国内应用以体育用品为主，且对碳纤维的质量要求不高工业领域在风电叶片、建筑补强等领域需求日益提高，年平均增长率25%航空军工以目前4%的市场份额与国外30%的差距巨大，无论从实际需要，还是市场空间，都将不容忽视。,国内侧重碳纤维应用的企业大约有13家，产品以民用为主，自主设计产品，原丝多为采购,33,碳纤维产业概述中国碳纤维产业概述碳纤维在军事装备方面的应用、需求量预估、成本对比在军事装备方面的应用需求量预估、成本对比碳纤维投资风险和建议政策优势,34,综述,碳纤维在军事领域的应用，从性能上主要有四个大的需求：减重增强、高温传导、耐磨耐腐、抗辐射抗电磁在军需产品上，碳纤维的应用主要集中在单兵携行具、医疗用具、特种车辆、防护产品、空投装备、方舱等类别在数量上，根据预估，其市场容量突破千亿目前，国内军工领域的供应商极少，存在巨大的市场空间。,35,碳纤维在军事领域的应用，从性能上主要有四个大的需求：减重增强、高温传导、耐磨耐腐、抗辐射抗电磁,减重增强碳纤维制造的竞赛型自行车，质量仅9.5kg，为普通自行车的2/5，抗撞击能力却是普通自行车的8倍通用公司用碳纤维材料汽车重量191公斤，且刚度更强，轻量化效果达53%以上美军用新材料制成的冬服，重量减少28，保暖性提高20耐高温、热传导钢制制动器耐高温900度，碳纤维材料则达2000-3000度，飞机着陆刹车盘温达2000度耐磨、耐腐蚀有学者在1981年将pan基碳纤维浸泡在强碱naoh溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。抗辐射、电磁屏蔽核动力服装、作战服装、特种兵种服装有较大需求。,36,军事领域在发展方向上，有三方面对碳纤维的需求较多：一是对现代战争起决定性作用的卫星,37,未来战争背景下，军事发展有三个方向最需要新材料技术1、卫星：,卫星对新材料的需求，不但要轻量化、而且还要有强度、抗攻击、抗电磁脉冲等。（美国的“军事星”通信卫星已进行了特殊材料装甲加固，具备以上特性。）,10%,65%,70%,海湾战争，美军70%战略情报由侦查卫星获取,第二次海湾战争，美军65%的弹药依靠卫星制导,第一次海湾战争，美军10%的弹药卫星制导,阿富汗战争，卫星全天监控塔利班高层,38,2、装备轻量化：使用碳纤维后，美军f18战斗机重量减轻10%最近部署日本的mv22“鱼鹰”运输机复合材料占59%，其中旋翼、桨叶由碳纤维/玻璃纤维制成，作战半径达600公里，是以前重型运输直升机的两到三倍美国155毫米榴弹炮，在采用轻型新材料比德、法、意三国联合研制的fh70和以色列的m71式同口径火炮轻30，使机动性能更好、弹速更快、射程更远、威力更大战略导弹和卫星的重量每减轻1千克，运载它们的火箭就可减轻500千克美国将火箭发动机金属壳体改用石墨纤维复合材料后重量减轻38吨美军用军用新材料制成的冬服，重量减少28，保暖性提高20,装备的轻量化，对新材料的低密度、减重性能提出更高要求，碳纤维已经在轻量化方面应用广泛。,二是对武器装备性能影响巨大的装备轻量化水平,39,3、增强防护及设备耐疲劳性：国产歼-11以上采用的涡扇发动机（高铌钛铝合金），大修期为1000小时，西方发动机使用寿命10000小时印度国产“光辉”战机40%机身材料为碳纤维美国战机可以连续飞行f22战机选用cfrp配件已达350余种,装备的增强防护效果，对新材料的抗疲劳性能，是当今正引起人们关注碳纤维的一个新的亮点，但受成本和技术限制，具体应用尚未大规模推广。,三是影响自身安全性和战斗力的防护增强和耐疲劳程度,碳纤维在军事领域中的应用：从应用上有两方面：需要提高性能的产品和功能不可替代的产品,40,导弹、战斗机、作战车辆、高原用具,减重,耐烧,增强,耐腐,航空母舰、舰艇、军用方舱,装甲、防弹、急救担架、绳索、空投设备,减重耐烧,减重耐腐,增强防护,需要提高性能的产品,火箭、飞船结构、卫星器件、太阳板、舰艇材料,航空航海,功能不可替代的产品,导弹弹头、战机机翼、刹车片、运输机,装甲防护、高原厨具,作战器具,后勤器具,碳纤维在军事领域中的应用列表,41,碳纤维在军事领域中的应用列表,42,碳纤维在单兵携行具方面的应用,43,碳纤维在方舱方面的应用,方舱舱体主要由前板、后板、左板、右板、顶板、底板等组成，这些大板由角件、角柱、端梁、侧梁等联接城一个整体。大板由内外蒙皮和夹芯。,44,美国研制出iso复合材料战术方舱（使用的热塑复合材料为聚丙烯和玻璃纤维），壁板、顶板和底板容许70磅重的冲击，具有3英寸直径的半球形冲击头