碳纤维发展现状及其发展趋势

碳纤维发展现状及其发展趋势

0 引言

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、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。

1 国内外碳纤维的发展现状

1.1 国外碳纤维的发展现状

目前世界各国发展的主要是PAN 基碳纤维和沥青基碳纤维。国外PAN基碳纤维的研究与开发开始于20世纪60 年代。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［1］。世界PAN 基碳纤维生产厂商主要有日本Toray（东丽）、Toho（东邦）、Mitsubishi Rayon（三菱人造丝），美国Hexcel（赫克塞尔）、Amoco（阿莫科）和Zoltek（卓尔泰克）等公司。沥青基碳纤维主要生产厂商有日本Mitsubishi Chem（三菱化学）、Kureha （吴羽）、Donac与美国Amoco 公司。

在小丝束碳纤维（3 K ，6 K 和12 K ）方面，Toray、Toho与Mitsubishi Rayon等3家公司已形成垄断，其产能分别达到9 100、5 600和4 700 t / a，占世界总产能的31.6 %、19.5 %和16.3 %。

大丝束碳纤维的主要生产国是美国、德国与日本，产能情况如表1.1所示［2］，其产量大约是小丝束碳纤维产量的33 % 左右。

表1.1 世界大丝束碳纤维产能情况 t/a 美国 德国 日本 总计

近年来，大丝束碳纤维获得飞速发展，世界上过去不生产大丝束碳纤维的一些碳纤维生产厂也纷纷打算生产大丝束碳纤维或已开始生产大丝束碳纤维，最典型的当推Toray公司；同时，国外已经通过利用与电磁辐射有关的等离子技术由完全和部分稳定的碳纤维原丝来生产碳纤维；并且把纳米技术也应用在碳纤维上，研制出纳米碳纤维，Carbon Nanotechnologies Inc.（Houston，TX）、Materials & Electrochemical Research Corp.（Tucson，AZ）和日本Mitsubushi Chem与Toray等计划大规模生产纳米碳纤维［3］。

生产商 AKZO-Fortafil(阿克苏-福坦菲尔) Zoltek Aldila(阿尔迪拉) SGL(爱斯奇爱尔) Toray 产能 3500 1800 1000 1900 300 9500 1.2 我国碳纤维发展现状

从20世纪70年代中期开始，经过30余年的发展，我国碳纤维从无到有，从研制到生产取得了一定的成绩，但总的来说，我国碳纤维的研制与生产水平还较低，目前仅相当于国外20 世纪70 年代中、末期水平

［4］

。

1.2.1 PAN 基碳纤维

我国PAN 基碳纤维的开发研制已有30 多年历史。20世纪60 年代初，吉林应用化学研究所已着手于PAN基碳纤维的研究，70 年代初已完成连续化中试装置。其后，上海合成纤维研究所、中国科学院山西煤化所等单位也开展研制工作，并于80 年代中期通过了中试。我国碳纤维生产先后建成了从年产几百千克到年产几吨的小试装置和几十吨的中试生产装置，起步不晚，但发展缓慢，总生产能力还不及发达国家或地区的一家公司见表1.2[5,6]。

表1.2 世界各大PAN基碳纤维公司2002-2004年的产能 t/a 日本 日本 日本 美国 英国 生产公司 Toray Toho Mitsubishirayon Hexcel Amoco 生产能力 9100（小丝束） 5600（小丝束） 4700（小丝束） 2000（小丝束） 1900（小丝束） 中国台湾 美国 美国 美国 德国

台湾工程塑料公司 AKZO-Fortafil Zoltek Aldila SGL 1750（小丝束） 3500（大丝束） 1800（大丝束） 1000（大丝束） 1900（大丝束） 2002年国内PAN基碳纤维需求量约为2 235 t ，其中体育休闲领域需求量为1 935 t，占87 %；一般产业需求量为250 t，占11 %；军工领域需求量为50 t，仅占2 %［4］ 。2003 年3 月10 日，英国AMEC / ACE（艾麦克）公司与中国安徽华皖碳纤维有限公司关于年产量分别为PAN原丝500 t、碳纤维200 t（均以12 K 计算）的技术转让合同在上海正式签约，预期2005年初本项目投产，这将极大地推动我国碳纤维的发展。

1.2.2沥青基碳纤维

世界沥青基碳纤维的生产能力较小，国内沥青基碳纤维的研究和开发较早，但在开发、生产及应用方面与国外相比有较大的差距见表1.3。

表3 2002—2004年世界沥青基碳纤维的生产厂家及产能[1,6] 品种 国家或公司 中国 Donac 通用型碳纤维 Kureha Niffobo Noppon Amoco Mitsubishi Chem 高性能碳纤维 Nippon Sekiyu Donac Kureha 产能/（t·a） 450 300 900 开发中 开发中 140~230 500 50 开发中 开发中 -1强度/MPa 686 686 590~980 657~980 784~980 1300~2400 1800~3300 3230~3300 1800~3000 1800~4000 模量/GPa 41 34 30~33 40~49 39~49 170~960 176~735 392~686 140~600 150~400 20世纪70年代初，上海焦化厂以煤焦油为原料成功地制取了碳纤维，但因试验结果不稳定，产品质量不高而中止。1979 年，中国科学院山西煤化所开始研制沥青基碳纤维，1985 年通过小试［2］。在此基础上，冶金部在烟台筹建了新材料研究所，生产通用级沥青碳纤维，规模70 ～ 100 t / a，主要做飞机的刹车片。90年代初扩大到150 t / a。但由于设备未过关，又无改造资金，处于停产状态。鞍山东亚精细化工有限公司投资1.2亿元人民币于90年代初从美国Ashland（阿什兰德）石油公司引进了全套生产设备，生产能力为200 t / a，1994年动工建设，1995 年投产。近年来，我国碳纤维的产量虽有增加，但与不断增长的需求相比仍有较大的差距。

我国沥青基碳纤维与PAN 基碳纤维相比发展较慢，但由于生产成本较低，价格约为PAN基碳纤维的1 / 3 ～1 / 4，因此沥青基碳纤维在民用及建筑领域的应用前景较为广阔，这将为我国沥青基碳纤维的发展提供良好的机遇。

1.3 国产碳纤维存在的主要问题

我国碳纤维虽然经过了一段时期的发展，但是与国外的技术水平还存在一定的差距和一些在竞争中不容忽视的问题，主要有以下几个方面。

1） 原丝质量与国外比还存在差距［7］。由于国产碳原丝在生产过程中大部分采用民用腈纶原液，杂质含量较高，造成碳纤维性能不稳定，离散系数较大。

2）大部分国产碳纤维未经过表面处理，制成复合材料层间剪切强度偏低［1］。没有经过表面处理的国产碳纤维不能用作高性能要求的先进复合材料增强体，也不能在航空、航天等国防部门中用来制作主承力构件。

3）尚未形成经济规模，价格太贵，成本组成不合理。国产碳纤维目前售价太高，远比国外进口的价格要高。我国碳纤维之所以价格昂贵，有很多不合理因素。如成本结构存在问题，据我国某碳纤维厂对碳纤维成本的粗略统计，原丝费用约占碳纤维成本的25 %，而车间费用约占碳纤维成本的44 %。 4）品种单一、规格单一，碳纤维来源大部分依赖于进口［1,7］。根据不同行业、不同产品、不同零部件的不同需求，希望能采用不同类别、不同品种、不同规格的碳纤维。除了供结构材料使用的碳纤维，还希望有供功能材料使用的碳纤维，而我国目前碳纤维只有相当于T 300的一个品种。

2 碳纤维的应用状况

2.1 碳纤维主要应用领域

［8］

碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热等特性，属典型的高新技术产品，表2.1 是几种碳纤维材料的性能比较

。主要用于制备先进复合材料（ACM），已广泛应用

于宇航、体育用品领域、工业领域、交通运输领域及土木建筑领域。鉴于近年军事工业上应用的萎缩、碳纤维成本的降低及先进低成本制造复合材料技术的突破，碳纤维复合材料在建筑、工业、交通运输等方面的应用便成为研究开发的热点，并取得了一定的突破性进展

表2.1 几种碳纤维材料性能比较 拉伸强度 /MPa IM6 IM7 IM8 IM9 P30 5200 5379 5447 6343 4000 拉伸模量 /GPa 276 276 303 290 210 密度 /（g·cm） 1.70 1.80 1.70 2.00 1.76 -3［9 － 11］

。

比模量 /（10·cm） 1.62 1.53 1.78 1.45 1.19 9比强度 产地 /（10·cm） 3.06 3.00 3.20 3.17 2.27 美国 美国 美国 美国 日本 7T700 T800 T1000

4800 5490 7060 230 294 1.80 1.80 1.28 1.62 2.67 3.03 日本 日本 日本 2.1.1宇航领域

在宇航领域，由于其重量轻，刚性、尺寸稳定性和导热性好，高模量碳纤维很早便应用于人造卫星中。碳纤维在宇航上的应用主要在固体火箭发动机壳体和喷管上。2002年，在宇航领域中碳纤维的需求量大约是4 000 t，其应用分布：北美为2 500 t，高达62.5 %；欧洲和亚洲分别为1 260 t和240 t，分别占26.1 %和4.2 %。

2.1.2土木建筑领域

随着碳纤维成本的降低与复合材料制造技术的发展，土木建筑领域成为碳纤维复合材料应用的新市场。利用碳纤维复合材料棒材替代元钢，利用碳纤维复合材料层板加固或修复桥梁及建筑物，及利用碳纤维增强混凝土等将会有很大的发展。目前在土木建筑领域的应用主要是：复合材料棒材、纤维增强胶接层板、碳纤维增强混凝土、碳纤维复合材料片等。

2.1.3工业领域

近几年来碳纤维在宇航领域中应用萎缩，在工业应用的市场不断看好。与宇航和体育休闲用品相比，工业应用对于碳纤维的需求在不断增长。基础设施、油气开采、压力容器、复合材料辊子、航海构件等应用不断开发，使碳纤维在这个领域的应用持续增长。欧洲和日本在这方面的开发处于领先地位，因此，用于工业应用碳纤维的需求量欧洲最大，亚洲其次。据报导，制备注射和模压用的粒料消耗的碳纤维高达2 700 t，主要用于生产手机、计算机、办公设施等，在电磁屏蔽和静电消散方面的应用也不断增长。

2.1.4 交通运输领域

在交通领域，碳纤维扩大应用的最大希望在于汽车业。国外的各大主要汽车厂家，均竞相开发CFRP（碳纤维复合材料）化的节能、环保和安全性汽车。新一代的汽车要求大大地降低能耗，最重要的措施之一就是减轻汽车质量，用一般钢材是不可能实现的，因此采用复合材料是最有效的办法。设计表明，一辆典型小车的碳纤维用量可以超过113 kg。在这一领域仅仅为了满足北美的需求，碳纤维的需求量就达现有世界碳纤维总生产能力的100倍。因此碳纤维复合材料用作汽车材料，将具有广阔的发展前景［10］。目前碳纤维复合材料已获得应用或正在研究开发应用的领域主要包括：飞轮、压缩天然气贮罐、燃气透平部件、刹车装置，其它部件如蓄电池、活塞、传动轴、弹翼、大梁等。在载重汽车上使用碳纤维复合材料后，每辆可降低质量200 kg左右［11］。

2.1.5 能源领域

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