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    碳纖維生產技術及市場

    文章出處:網絡責任編輯:管理員人氣:發表時間:2015-10-02【

    盡管碳纖維均是由原料纖維經高溫碳化而成,但根據基礎原料不同可以分為三類:一是以聚丙烯腈(PAN)為原料高溫碳化形成的碳纖維,為PAN基碳纖維;二是以瀝青為原料高溫碳化形成的碳纖維,為瀝青基碳纖維。三是以粘膠纖維原料高溫碳化形成的碳纖維,為粘膠基碳纖維。由于PAN基的碳纖維在強度上要優于瀝青基、粘膠基碳纖維,在全世界的碳纖維生產中占有90%的比例,具有絕對性的壓倒優勢,因此以下所討論的碳纖維行業均是指PAN基碳纖維。
     
        碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7-9倍,抗拉彈性模量為23000-43000Mpa,亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比鋼高。碳纖維目前被劃分為宇航級(Aerospace-grade)和工業級(Commercial-grade)兩類,亦稱為小絲束(Small-strand tow或Small tow)和大絲束(Large-strand tow或Large tow)。通常把48K以上的碳纖維稱為大絲束碳纖維,包括60K、120K、360K和480K等。宇航級碳纖維初期以1K、3K、6K為主,逐漸發展為12K和24K,主要應用于國防軍工和高技術以及體育休閑用品,像飛機、導彈、火箭、衛星和釣魚桿、高爾夫球桿、網球拍等。工業級碳纖維應用于不同民用工業,包括紡織、醫藥衛生、機電、土木建筑、交通運輸和能源等。特別是近年來工業級碳纖維滲透進入傳統宇航級碳纖維的應用領域,開始在體育休閑用品上獲得一定程度的應用,估計這一趨勢將進一步擴大發展
     
    二、碳纖維技術含量高
     
        當生產PAN基碳纖維的時候,被稱為“母體”的聚丙烯腈纖維首先要通過聚合和紡紗工藝加工聚丙烯腈而成。然后,將這些母體放入氧化爐中在200-300攝氏度進行氧化。另外,還要在碳化爐中,在溫度為1000-2000攝氏度間進行碳化制成碳纖維。
     
        盡管碳纖維生產流程相對較短,但生產壁壘很高,其中碳纖維原絲的生產壁壘是難中之難,具體表現在碳纖維原絲的噴絲工藝、聚丙烯腈聚合工藝、丙烯腈與溶劑及引發劑的配比等。目前世界碳纖維技術主要掌握在日本的東麗公司、東邦Tenax集團和三菱人造絲集團手中,這3家企業技術嚴格保密,工藝難以外露,而其他碳纖維企業均是處于成長階段,生產工藝在摸索中不斷完善。我國碳纖維現階段絕大部分依賴進口,但華皖碳纖維、少數科研院所及山東光威集團都力爭在碳纖維生產方面獲得突破。
     
        PAN原絲不僅影響碳纖維的質量,而且影響其產量和生產成本。換言之,只有高質量的原絲才能生產出高性能碳纖維,才能穩定生產,提高產量,降低成本。對于現代碳纖維生產線,要求喂入絲束數在100以上,且高速運行;如果原絲質量低劣、彼此性能差異較大,易在生產過程中產生毛絲纏結,甚至發生斷絲,很難穩定生產,這樣必然加大原絲的損耗。對于質量好的PAN原絲,用2.2kg左右的原絲可生產出1kg碳纖維;而質量差的原絲,則需2.5kg,甚至更高,這必然加大生產成本,而原絲成本占碳纖維生產成本的50%-65%。所以,PAN原絲質量不僅可左右碳纖維的性能,而且也制約著碳纖維的生產成本和市場競爭能力。
     
        碳纖維是由有機PAN纖維經過一系列熱處理轉化而來的。碳纖維屬于脆性材料,拉伸強度等性能受控于各類缺陷。因此,在一定意義上講,提高碳纖維的拉伸強度等性能就是采取技術措施減少缺陷數目、減小缺陷尺寸的過程。碳纖維的缺陷產生可大致分為兩類:一類是先天性缺陷,由PAN原絲“遺傳”給碳纖維;第二類是后天性缺陷,在預氧化、碳化等一系列后處理過程中產生。從缺陷在碳纖維中所處的位置,又可分為表面缺陷和內部缺陷兩大類,其中表面缺陷占缺陷總數的90%左右,對拉伸強度的影響要比內部缺陷大得多。
     
     
     
    三、碳纖維應用前景廣闊
     
        隨著航空航天領域對于碳纖維需求出現快速增長,風力發電等其他工業應用領域也出現快速增長,從而使碳纖維的需求幅度增加,全球碳纖維市場正以平均每年兩位數的速度快速增長。1985-2005年世界聚丙烯腈基碳纖維的需求量見表1。預計2006年全球碳纖維需求量將達到2.5萬噸/年,2010年則將達到3.2萬噸/年,全球碳纖維的供給與需求將出現緊張局面。
     
    一架空客A380需耗用30噸碳纖維、一架波音787飛機需耗用20多噸碳纖維,隨著飛機制造業的快速發展,碳纖維在航空航天領域的應用明顯增長。
     
        在制造導彈過程中,如果將導彈發動機和彈體等部分外殼換成碳纖維復合材料,不僅能減輕導彈的結構質量,還能提升導彈的射程能力。此外,碳纖維技術還能使導彈能承受5000攝氏度以上的高溫。保證彈內輔助系統在高溫下正常運轉。
     
        碳纖維作為特大風力發電葉片的主要材料,需求也出現明顯增長。隨著發電單機功率的增大,要求葉片長度不斷增加。對葉片來講,剛度也是一個十分重要的指標。始于上世紀末的相關研究表明,碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性,當與樹脂材料混合時,則成為了風力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一,碳纖維復合材料葉片剛度是玻璃鋼復合葉片的2-3倍。因此,全球各大復合材料公司正在從原材料、工藝技術、質量控制等各方面深入研究,以求降低成本。VESTAS的V-90型風力機容量為3.0MW,葉片長44m,其樣品試驗采用了碳纖維制造;GAMESA在其直徑為87米、90米葉輪的葉片制造中包含了碳纖維;NEG Micon正在制造碳纖維增強環氧樹脂的40米葉片。這3家公司的碳纖維都采購自St.Louis-based Zoltek公司。德國葉片制造廠家Nordex Rotor開發了56m長的碳纖維葉片,他們認為葉片超過一定尺寸后,碳纖維葉片的制作成本并不比玻纖的高。
     
        碳纖維有耐腐蝕性,因此可以廣泛應用于沿海鉆井平臺的構件,比如圍欄等,而且可以減輕質量,便于現場安裝,是碳纖維未來的巨大市場。
     
        碳纖維在汽車領域可以替代鋼材,制造CNG瓶、保險桿、底盤等汽車配件,使汽車質量降低40%以上,從而節省燃油7%,符合有效節能的未來發展優勢。
     
        在高速公路尤其是西部山區高速公路建設中,高路堤的設計施工一直存在邊坡穩定和豎向沉降兩個問題。按照傳統施工,工程常采用增大放坡比例或建造擋土墻的辦法,但前者必然占用大量的土地和增加填方工作量,后者又必然大大提高工程造價。京珠高速湖南段臨長高速公路平江縣境內有一路段平均填土高度達7.4米,加上地質條件差,易留下路基不均勻、導致沉降等安全隱患。針對該工程的難點,課題主要負責人、湖南大學土木工程學院院長尚守平教授采用現代加筋土技術提供一個經濟簡潔的施工方案。課題組大膽采用碳纖維增強材料應用于加筋土工程,給高速公路“強筋健體”,各項數據都表明該成果在試驗路段應用成功。據課題鑒定組組長王永和教授介紹,湖大專家首次將碳纖維增強材料應用于高路堤建設,不但豐富了我國加筋土結構中筋材的類型,而且將這項新技術推廣到西部高山丘陵區的公路建設中,產生了顯著的經濟效益。
     
        江蘇遠東集團和美國一家高科技公司聯合開發的新型碳纖維復合芯導線獲得成功。與傳統鋼芯鋁絞線相比,碳纖維復合芯導線具有質量輕、強度大、耐高溫、耐腐蝕、線損低、弛度小、與環境親和等優點,可提高傳輸容量1倍,減少20%桿塔數,減少有色金屬消耗,降低傳輸損耗。該技術推廣將有利于我國構造安全、環保、高效節約型輸電網絡。
     
        四、碳纖維市場供應形勢
     
        隨著國際碳纖維的市場快速增長,日本的東麗公司、東邦Tenax集團和三菱人造絲集團等碳纖維生產巨頭紛紛在2004年左右開始擴產,但由于碳纖維生產裝置從設計、安裝、試車到產生制品需要2-3年的時間,估計到2007年以后才能有產能擴張,因此在2008年之前國際碳纖維的供給仍然緊張。在2008年之后,碳纖維有望在海上鉆井平臺、汽車等其他工業領域獲得積極拓展,碳纖維市場需求潛力仍然十分巨大。
     
        由于碳纖維過去主要應用在軍工行業,因此一直是對華禁運物資,近年來隨著碳纖維向民用工業轉移,國際社會碳纖維的制造技術與產品對華出口有所松動,通用級碳纖維進口渠道已開通,但高性能碳纖維對我國依然限制,通用級碳纖維成套技術出口尚須出口國政府特批。日本政府規定,如果從日本出口此類產品,必須申請許可,進口者一方還必須提出“誓約書”,確認碳纖維沒有轉用于軍事用途。
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