碳纤维生产现状.doc

碳纤维生产现状及发展趋势 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维具有十分优异的力学性能，是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，特别是在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，是其他主要结构材料 (金属及其合金)所无法比拟的。除了优异的力学性能外，碳纤维还兼具其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、X光穿透性高，非磁体但有电磁屏蔽性等。作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是先进复合材料最重要的增强材料，已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。我国自20世纪60年代开始碳纤维研究开发至今已有近40年的历史，但进展缓慢，同时由于发达国家对我国几十年的技术封锁，至今没能实现大规模工业化生产，工业及民用领域的需求长期依赖进口，严重影响了我国高技术的发展，尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展，与我国的经济社会发展进程极不相称。所以，研制生产高性能、高质量的碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，扭转大量进口的局面，是当前我国碳纤维工业发展的迫切任务。1生产方法目前，工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。从粘胶纤维制取高力学性能的碳纤维必须经高温拉伸石墨化，碳化收率低，技术难度大、设备复杂，成本较高，产品主要为耐烧蚀材料及隔热材料所用；由沥青制取碳纤维，原料来源丰富，碳化收率高，但因原料调制复杂、产品性能较低，亦未得到大规模发展；由聚丙烯腈纤维原丝可制得高性能的碳纤维，其生产工艺较其它方法简单，而且产品的力学性能优良，用途广泛，因而自20世纪60年代问世以来，取得了长足的发展，成为当今碳纤维工业生产的主流。聚丙烯腈基碳纤维的生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程。原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序。碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。根据产品规格的不同，碳纤维目前被划分为宇航级(aerospacegrade)和工业级(commercialgrade)两类，亦称为小丝束(smallstrand tow或small tow)和大丝束(largestrand tow或large tow)。通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K、60K、120K、360K和480K等。宇航级碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K，主要应用于国防军工和高技术，以及体育休闲用品，像飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。工业级碳纤维应用于不同民用工业，包括：纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。2聚丙烯腈基碳纤维发展现况2.1世界总况1959年日本的进藤昭男发明了用聚丙烯腈(PAN)原丝生产碳纤维的方法。1962年，日本东丽公司开始生产，之后又积极研制用于生产碳纤维 的专用优质原丝，并于1967年成功生产T300PANCF。同时，英国皇家航空研究所的Watt等人，对PAN纤维生产进行技术改进，随后英国考陶尔 公司(Courtaulds)利用这项技术开始生产高强度、高模量PAN基碳纤维。1969年，日本东丽公司研究成功特殊的单体共聚PAN基碳纤维，结合 美国联合碳化物公司(Union Carbide)的碳化技术，生产出高强度、高模量碳纤维。此后，美国、法国、德国也都引进或开发了PAN原丝及碳纤维的生产。原苏联开始主要研究以人造 丝为原料制造碳纤维，后转向PAN基碳纤维。另外，印度、南斯拉夫、以色列、韩国也在以PAN原丝制取碳纤维方面开展了大量的研制工作。日本东丽公司的碳 纤维研发与生产一直处于世界领先水平。20世纪70年代末以来，国外许多以PAN纤维为原料制造碳纤维的厂家在原料供应及碳纤维的生产、供销方面进行广泛合作与竞争，促进了PAN基 碳纤维工业的长足发展。特别是进入90年代以后，由于PAN基碳纤维性能优越，应用领域日益扩展。目前世界PAN基碳纤维已进入发展旺盛的成熟期，主要表 现为。(1)PAN基碳纤维产量急剧提高，生产规模大型化，产品价格下降。(2)PAN基碳纤维生产工艺、设备、技术不断改进，碳纤维性能不断提高。如：日本东丽公司已开发出高强型T1000系列碳纤维，其抗拉模量为295GPa，拉伸强度达7.05GPa，而其高强高模MSJ型抗拉模量达640GPa，抗拉强度为3.62GPa。(3)应用范围从少数高科技领域、军事部门扩展到整个工业民用的各个部门。目前，聚丙烯腈基碳纤维产量约占全球碳纤维总产量的90%，生产能力约为31565ta，其中小丝束碳纤维约为23165ta，占73.4%，大丝束碳纤维约为8400ta，占26.6%。可见，日本东丽、东邦和三菱三家公司的高性能小丝束碳纤维生产能力合计为17500ta，占世界高性能小丝束碳纤维总能力的75.5%，基本控制了世界高性能小丝束碳纤维的生产。在聚丙烯腈基大丝束碳纤维的生产方面，世界总生产能力为8400ta，福塔菲尔(Fort-afil)、卓尔泰克(Zohek)、阿尔迪拉 (Aldila)、爱斯奇爱尔(SGL)等四家公司垄断了世界聚丙烯腈基大丝束碳纤维的生产。其中福塔菲尔公司为3500ta，占世界聚丙烯腈基大丝束 碳纤维总生产能力的41.7%，居世界的首位。2.2国内我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维，历经近40年的漫长历程。在此期间，由于国外把碳纤维生产技术列入禁运之列，严格控制封锁，制约了 我国碳纤维工业的发展。我国科技工作者发扬自力更生的精神，从无到有，逐步建成了碳纤维的工业雏型。20世纪70年代初突破连续化工艺，1976年在中科 院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，生产能力为2ta；20世纪80年代开展了高强型碳纤维的研究，于1998年建成一 条新的中试生产线，规模为40ta。我国主要研究单位有中科院山西煤化所、上海合纤所、北京化工大学、山东工业大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长 春工业大学等。面对国外在技术、设备、品种和性能等方面激烈竞争、迅速发展的局面，我国碳纤维生产处于起步阶段，与国外相比有很大差距，无论产量、质量均不能 满足市场发展需求。目前国内小规模PAN基碳纤维生产企业和科研院所共十余家，最大生产企业为吉化公司，生产能力100ta；现有装置生产总能力号称 300ta，实际年产量不足100t；且产品质量不稳定，达不到T300的水平。目前制约我国碳纤维发展的首要原因是PAN原丝质量不过关，其它原因还 有生产技术及设备等。随着我国经济的快速发展，碳纤维需求与日俱增，虽然国际上一些公司T300级原丝和碳纤维产品对我国开始解冻，但碳纤维及其复合材料的生产是关 系到国防建设的高科技技术，必须立足国内。所以，研制生产高性能、高质量的碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，扭转大量进口的局面，是我国碳纤维工业发 展亟待 解决的问题。碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品。近期国内有多家企业拟建或正在建设碳纤维生产装置，如安徽蚌埠灯芯绒集团与华源集团合作建设安 徽华皖碳纤维有限公司一期500taPAN原丝和200ta碳纤维工程，总投资超过2亿元，PAN原丝采用亚砜一步法，技术由国外引进，产品以12K 的T300级碳纤维为主导产品，并准备引进成熟的预浸料生产线。华皖碳纤维公司二期建设规模将使碳纤维产量翻一番达到400ta，下游产品亦列入规划。 目前该项目一期工程正在进行设备安装，将于2005年初建成投产。此外，山东、浙江、广西等地也有拟建碳纤维生产线的计划。 3消费与需求状况3.1国外自从碳纤维工业化生产以来，世界各国都特别重视其应用开发。随着价格不断降低，其应用范围从满足性能要求高的航空、航天领域逐步向文体和民用领 域推广。目前，碳纤维的市场需求在北美、欧洲、亚洲基本上呈鼎足之势。按应用领域划分，世界聚丙烯腈基碳纤维主要用于宇航、文体休闲用品、其它工业等领 域，其总体消费比例分别为25.2%、31.4%和43.4%，不同地区各有侧重。由于碳纤维复合材料具有高比强度、设计性好、结构尺寸稳定性好、抗疲劳断裂性好和可大面积整体成型，以及特殊的电磁性能和吸波隐身的特点，目前已大量用于生产军用、民用飞机以及战略导弹和运载火箭上，需求量稳步增长。文体用品方面，目前碳纤维材料已从钓鱼竿和高尔夫球棒推广到网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、冰雪运动器材、水上运动器材等方面，需求量稳步、较快增长。其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品，约占该类产品的80%。一般产业对碳纤维材料的应用发展比较迅速，包括基础设施的修复、更新和加固；新能源开发如沿海油气田、深海油田的钻井平台、管道和缆绳等，以及 风力发电机的螺旋桨和风叶；汽车的刹车系统、转动轴、车身以及环保汽车用的压缩天然气气瓶；电子领域的应用主要有通信、广播、地球观测、空间探测以及各种 飞行器的高精度天线。一般产业的需求增长较快，将成为碳纤维新的主要应用领域。碳纤维是一种性能优越的结构材料，具有极高的附加值，自商品化以来，应用范围已从最初的航空航天、军事部门逐渐向民用领域渗透，目前已扩展到整 个工业民用的多种领域。随着应用研究的不断深入，特别是在民用方面仍将继续拓宽应用领域，扩大使用量。国外预测碳纤维除了在航空航天以及体育用品进一步应 用外，近年内包括土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。由此可见，当前世界碳纤维有如下发展趋势：产品性能趋向于高性能化；价格将大幅度降低；航天航空和文体用品领域用量稳定增加，民用工业用量增幅较大，已超过前两者。特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，其价格将不断降低，民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋势。据分析，19962000年世界碳纤维的需求年均增长率约9%；而20012003年碳纤维的需求年均增长率超过12%。预计今后10年世界碳纤维市场需求年均增长率约为6%。3.2国内尽管我国碳纤维生产发展缓慢，但消费量却与日俱增，市场需求旺盛，主要集中在文体用品和航空航天方面，一般产业需求增长也比较迅速。近年来，随 着市场需求的增加，特别是国防、军工、航天航空、体育用品方面的需求增加，每年主要依靠从国外进口碳纤维以满足要求，预计2005年将达到3000t以 上。据统计，19962002年国内碳纤维消费年均增长率超过20%。目前国内的市场需求量约为2500ta，主要依靠进口。预计2005年将超过 3000ta。通过对国内市场需求进行广泛深入的调研发现，近几年体育和休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的年需求量迅速增长，从我国航空航天技术的发展来看，也急需高性能碳纤维及其复合材料。近几年来，外商纷纷前来我国开办合资或独资的碳纤维复合制品企业，从国外采购碳纤维开发下游产品，促进了我国碳纤维市场的开发，使碳纤维需求量迅猛上升。例如，在我国的合资或外商独资的碳纤维体育用品厂家约60余家，钓鱼竿生产企业50余家。综上所述，国内PAN基碳纤维材料加工业已初具规模，有一定的技术基础和市场开发能力，市场需求比较旺盛，但碳纤维的生产远远不能满足市场需 求，需大量进口。此外，考虑到我国碳纤维的应用还在不断发展，许多用途还有待开发，如碳纤维在工程修补增强方面、飞机和汽车刹车片、汽车和其他机械零部件 的应用以及电子设备套壳、集装箱、医疗器械、深海勘探和新能源的开发等方面都将是我国碳纤维未来的潜在消费市场，对碳纤维的需求量将更大。因此，未来我国 碳纤维的市场需求前景广阔，潜力极大。 4发展对策碳纤维属高新技术、高附加值产品，具有其他材料不可比拟的优异性能，具有广泛的用途和良好的发展前景。随着我国经济的持续快速发展，碳纤维的市 场需求与日俱增，发展我国的碳纤维工业具有重大的现实意义和深远的历史意义。因此，针对当前现状，必须加快我国碳纤维发展进程。4.1尽快掌握核心技术碳纤维生产工艺流程长、技术关键点多，是多学科、多技术的集成。发展我国的碳纤维工业，当前首先要解决工程化问题。可采用消化吸收引进技术与自 主创新相结合办法，尽快实现规模化工业生产。在工程实践和生产实践中锻炼人才，积累经验，在发展中不断提升技术水平，真正掌握核心技术。首先必须解决原丝 质量问题，同时还需要加强预氧化、碳化、石墨化设备及表面处理工程技术研究开发。4.2降低生产成本价格是制约碳纤维发展的主要因素，世界上碳纤维生产厂商都在致力于降低碳纤维生产成本。在保证质量的基础上降低成本，许多工业应用才有实用价 值。为广泛应用创造了条件，才能带来碳纤维工业的高速发展。降低成本的主要措施有降