碳纤维发展现状及其发展趋势(2)

目前，电阻率在 10－3 ～ 10－2 W·cm的碳纤维纸属高性能碳纤维纸，通常称之高导电率碳纤维纸，在新能源和电化学领域正在广泛推广应用［12］。科学家经过多种探索，确认高性能碳纤维纸能满足绿色能源 —— 燃料电池的要求，而且和原碳材料电极相比，还有体积小、质量轻、效率高等优点。现在，用高性能碳纤维纸制作质子交换膜 —— 燃料电池（PEMFC）的气体扩散层电极材料，已经得到各燃料电池制造商的认同，从而得到很快发展。能源和贮能方面，像风力发电叶片、飞轮、电池等应用也不断扩大。

2.1.6体育休闲领域

亚洲用于生产体育休闲用品碳纤维的消耗量是世界上最高的。2002年在体育休闲用品的4 990 t碳纤维中，亚洲占首位达3 100 t，占62.2 %；其次是北美，为1 120t，占22.4 %；欧洲最少，为770 t，占15.4 %［13］。 在亚洲特别是中国（包括台湾省）正越来越多地生产管状复合材料件，像高尔夫球杆和网球拍等，其它还包括箭杆、钓鱼竿、自行车架、船桨、滑雪工具、棒球棒、公路赛车、竞技墙等体育用品。

2.2 碳纤维及其复合材料的产品

2.2.1碳纤维加固补强织物

上海市纺织科学研究院研制的碳纤维加固补强织物是一种高科技含量的产品, 该纤维采用国外进口高性能碳纤维加工而成, 具有高强高效、耐久耐腐、质量轻等特点。该补强织物具有以下性能:面密度为300 g/m2, 厚度为0.3 mm, 弹性模量为2.1 ×105 MPa, 拉伸强度≥3 300 MPa, 伸长率≥1.6 %, 密度1.80 g/cm3 幅宽30~150 cm。补强技术是用配套树脂将碳纤维织物粘贴于混凝土结构表面, 起到结构补强及抗震加固作用, 广泛用于梁、柱、板、墙等补强, 也可用于桥梁、隧道、水坝等其他土木工程的加固。

2.2.2 新型活性碳纤维杀菌效果神奇

中国台湾地区逢甲大学材料科学研究所成功研发出一种新型活性碳纤维。经测试发现, 使用一层这种纤维布, 可以百分之百地过滤和抵挡绿脓杆菌和大肠杆菌, 对肺炎杆菌的减菌率在99.99 %以上。放置一年后, 杀菌效果依然不减。逢甲大学科学家指出, 以前的活性碳纤维布是让细菌吸附固定在纤维上, 经过几个小时, 碳纤维便能发挥抑菌效果。新一代活性碳纤维布的化学特性可以让细菌如同踩到地雷瞬间被杀死。新活性碳纤维布的独特之处还在于可以重复清洗100 次以上, 寿命长达3 至5 年, 用来做口罩, 比用即弃的N95 口罩更好。这种纤维布对其他细菌的抑制和杀灭功能尚待测试。据悉, 目前全球仅日本、俄罗斯、英国、中国大陆及中国台湾地区拥有活性碳纤维的制造技术。

2.2.3新型碳纤维复合芯导线

江苏远东集团和美国一家高科技公司联合开发的新型碳纤维复合芯导线获得成功, 产品己上市。据介绍, 与传统钢芯铝绞线相比, 碳纤维复合芯导线具有质量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、线损低、弛度小、

与环境亲和等优点, 可提高传输容量1 倍, 减少20 %杆塔数, 减少有色金属消耗,降低传输损耗。该技术推广将有利于我国构造安全、环保、高效节约型输电网络。

2.2.4 碳纤维导电面料

俄罗斯柴可夫斯基纺织股份公司是专业防护服生产企业, 其产品用于食品医药业、建筑交通业、石化天然气行业的劳动防护。该公司最近开发出两种新型含碳丝导电面料, 这两种面料分别是“弗尼克斯—热防护”和“弗尼克斯—舒适”, 前者成分50 %为棉、50 %为耐热化纤, 每平方米质量为330 g; 后者为棉涤面料, 每平方米为280 g。这两种面料专用于石油、天然气行业工作服, 加入了碳纤维作为导电纤维, 而国际上同类产品通常加入金属丝作为导电纤维。这两种面料还都加有CI- BA公司的TEFLON 和PYROVATEX 涂层。

2.2.5碳纤维软质复合材料

日本创和纺织与东丽合纤产业集群碳纤维分科会携手开发的利用碳纤维织物与树脂的复合材料“Carbon Cloth Soft Composite” 的碳纤维系列产品Carbon ClubTM (零钱夹、钥匙圈、印章盒、皮带等日用品、小杂物等) 上市。今后, 除了日用品、小饰品之外, 产品还将拓展至间隔材料、挂毯、墙壁装饰材料、百叶窗、窗帘等室内装饰材料领域。“Carbon Cloth Soft Composite”布比铁结实, 是碳纤维与耐久性良好的高柔软可挠性树脂的复合材料,防起毛性好。“Carbon Cloth Soft Composite”布是采用了创和纺织所有的碳纤维束整齐均一的排列平面织造技术和碳纤维分科会成员平松产业所持的特殊树脂在碳纤维织物上的均一粘合技术。这些技术不仅赋予碳纤维很高的物性, 而且实现了环氧树脂碳纤维等坚硬复合材料(硬质复合材料) 所不可能的裁剪、缝纫, 可与普通的布料和皮革同样使用,用途非常广泛。

3 碳纤维的发展趋势

3.1 国外碳纤维的发展趋势

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%，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。

3.2 国内碳纤维的发展趋势

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，据统计1996-2002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2500t/a，主要依靠进口。国内碳纤维主要应用领域见表3.1

表3.1 国内碳纤维主要应用领域 类别 成熟市场 新兴市场 应用领域 航空、航天及国防领域：飞机、卫星、火箭、导弹、雷达等 体育休闲品：高尔夫球、渔具、网球拍、羽毛球拍、箭杆、自行车、赛艇等 碳纤维基增强工程塑料、压力容器、建筑补强、风 力发电叶片、摩擦材料、深海油田的钻进平台等 待开发市场

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。

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。

汽车零部件、医疗机械等 3.3 碳纤维未来需求

未来几年碳纤维产能提高，市场需求增加。专家们认为，未来全球碳纤维行业将加快发展，碳纤维生产将加大力度，不少生产线会上马，碳纤维的生产能力将以空前的速度增长。会议副主席、业内资深专家安东尼·罗伯茨(AnthonyRoberts)的发言尤其引人注目。他说，全球小丝束纤维的实际生产能力为名义生产能力的50%～65%，估计当今这一比例为65%，实际生产能力是24500 吨；到2014 年，会增加到40000 吨。由于新的生产线上马，更专注于生产单一的产品，生产效率会更高，实际生产能力会进一步提高，可能达到45500 吨左右。罗伯茨还说，目前全球大丝束纤维实际生产能力为14500 吨，到2014年，会增长到30000 吨左右。2014 年，这两种纤维的名义生产能力达93450 吨，比1998 年增长7 倍。(见表3.1)

表3.1 全球碳纤维生产能力预测 （单位：吨） 小丝束纤维宣布的42950 产能 小丝束纤维实际产能 大丝束纤维宣布的产能 大丝束纤维实际产18860 能 宣布的总产能 实际产能力

上述数字包括新组建公司的产品数量，如中国、加拿大、印度和沙特阿拉伯的一些新成立公司的产品数量。罗伯茨说，这些实体可能会增加他们的生产量，其他供应商也有可能浮出水面。

需要说明的是，对于碳纤维，人们所宣布的产能通常是以标准产品类型为基础进行计算的。但是，除了具有标准强度和模量的标准产品之外，还有很多其他的根据技术特性而定的等级产品，纤维的粗度也不尽相同，按照产品类型和纤维粗度来划分，其产能是不同的。在生产多种产品的时候，换产会很浪费时间。因此，实际的产能通常会低于宣布的产能。

罗伯茨广泛研究了碳纤维生产问题，包括聚丙烯腈(PAN)的前体供应，小丝束纤维，大丝束纤维等，然后得到了一组数据。罗伯茨对现有的和宣布的碳纤维生产计划、终端市场生产趋势加以分析。如果他的预期属实，那么未来7 年碳纤维生产扩张将满足需求。他的数字涵盖风力发电、汽车、航空航天、压力容器、海洋、体育设备等。不过，碳纤维的主要应用领域为航空、工业和体育行业。罗伯茨对这些行业碳纤维需求的预测是乐观的(见表3.2)。

表3.2 全球碳纤维需求预测 （单位：吨） 航空 2008年 7250 2009年 9120 2010年 10700 2011年 11375 2012年 12230 2013年 12870 2014年 13580 63450 46818 73600 58240 79950 64000 84200 68090 91450 73685 92450 74820 93450 75655 21850 20850 23690 29210 29670 10130 20500 23750 25750 25750 31750 32250 32750 27958 36390 42150 44400 44475 45150 45525 49850 56200 59200 59200 59700 60700 2008年 2009年 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 工业 体育 合计

21275 7025 35490 24255 7485 40860 27270 7970 45940 30690 8085 50350 34250 8680 55160 38405 9015 60290 42445 9400 65425 据爱尔兰都柏林消息，有研究报告《2004～2010 年全球碳纤维市场增长机会》称，预计2010年全球碳纤维市场将增至9 亿美元，碳纤维加强复合材料部件市场将增至99 亿美元；预计到2010年碳纤维的总需求量将达到32000 吨。显然，罗伯茨的预测比该研究报告乐观。体育用品使用碳纤维绝对数量仍在增加根据美国体育用品制造商协会的最新统计数据，美国市场体育用品设备销售在2006 年总额约250 亿美元，这还不包括鞋子、机动车辆和举重器材。大量使用碳纤维复合材料的产品是高尔夫球槽、球拍、雪橇、滑雪板、曲棍球棒、钓鱼竿和自行车。生产上述7 种产品，制造商在2006 年的复合产品消费量估计为6710 吨左右。按此计算，2006年体育用品制造业所用的碳纤维占全球消费量的24%左右。但是，同过去相比，体育用品的碳纤维使用量占全球使用量的比例在逐渐降低，2004 年体育用品碳纤维用量占了大约31%。不过，体育用品使用碳纤维的绝对数仍在增加，在未来几年内，每年的增长预计平均为4.3%，到2009 年或2010 年，使用量将有可能超过唱片业的水平。

4 总结

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。

1）制订我国碳纤维发展的总体规划，考虑国内研制与国外引进相结合。碳纤维是一种可以形成庞大产业带的基础产品，并随其成本的降低而在金属、陶瓷、玻纤等材料的传统应用领域得到广泛应用。同时因其高科技含量，又可在一定时期形成相对垄断产品。因此，碳纤维及其复合材料的开发，可为企业带来长期、稳定的投资收益，是大企业较好的投资方向。

2）开发低成本碳纤维技术，特别是采用一般纺织用PAN 原丝生产工业级碳纤维和开发大丝束碳纤维［12］。碳纤维的价格是限制其推广应用的制约因素，降低碳纤维价格的关键是采用一般纺织用PAN 原丝生产工业级碳纤维和大丝束碳纤维，我国必须突破这些关键技术［11］。

3）解决碳纤维生产厂家小而散的问题，以提高竞争力。像日本3 家碳纤维公司的总产能占世界的75 %，而我国十几个厂家，每家最多100 t / a级，这样无法与国外竞争。

4）研究扩大碳纤维的应用范围，开发宇航级［13］ 与一般工业级的碳纤维和发展以T700为基础的军用碳纤维系列［14］。碳纤维要降低价格必须扩大用量，必须扩大碳纤维的应用范围。军用高性能碳纤维的用量毕竟是有限的，必须开发新的应用范围，包括交通运输、汽车、能源和土木建筑等领域。

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