碳纤维及其复合材料市场现状和展望

张国锋

摘 要：如今，国际复合材料行业正在扩张，未来五年，来自更高级别公司的先进复合材料将以每年5%的速度增长。因此随着民用和汽车工业的快速发展，全球高碳地区的需求年增长率可达10%，亚太区域的增长将加速，由于我国对碳纤维生产线的需求不断增加，碳纤维设备将比碳纤维和复合材料更快地被进口所取代。碳纤维化合物在海洋工程、航空航天、汽车等领域有着良好的应用前景，而碳纤维化合物的价格却在不断下降，因此碳纤维化合物的应用将会越来越多。本文介绍了我国碳纤维及碳纤维工业的现状、存在的问题及发展趋势。

关键词：碳纤维需求;碳纤维工业的现状;碳纤维化合物

碳纤维是一种直径较大的连续长丝材料，它是近年来发展起来的一种新材料，目前复合材料中主要使用聚丙烯腈和粘土碳纤维。原材料：聚丙烯腈骨料和沥青前体，通过特殊焦化和复合碳化工艺生产。碳纤维的轴向拉力轻、受力大、熔融含量高、化学稳定性好，因为在炼焦过程中，纤维沿轴向长方向延伸，并与轴向长方向相适应。以高性能树脂为基础的碳纤维和复合材料是目前使用最广泛的结构化合物之一。此外，天然纤维和玻璃纤维的使用也在迅速增长。

1 我国碳纤维工业的发展

1.1 工业技术现状

从“零碳纤维”到“碳纤维制备”的十余年来，已经实现了从“零”到“制备”的重大转变。由于在国家科技示范和产业化计划支持的条件下，前所未有的变化从此出现在产业化建设中，碳纤维及其组分的快速发展可以有效地降低国防建设对高性能碳纤维的迫切需求和解决部分碳纤维构件存在的问题。目前，T300-FOI碳纤维已经产业化，其产品已成功应用于航空航天、武器技术等领域，并带动了国内市场，1000t T700碳纤维生产线及产品进口评估，高强度T800碳纤维片材构件内部生产线的建设与生产;高模块、高碳力的产业化尚属空白，项目还在进行中进展。那个中高强度模块和高纤维高抗碳模块的关键技术有待解决。

截至2014年底，中国有近40家碳纤维厂，总设计产能为16600t。建设6000t产能（含原丝产能）和7500t碳纤维生产线（含原丝产能）。生产线企业4.1万t，企业（或企业联合体）5500t。主要产品为聚丙烯腈基碳纤维，带小丝束的12K型。

据统计，2007年以来，国内碳纤维生产每年都在增加，从2007年的约200t增加到2014年的2600t。然而，释放生产能力的问题仍然是一个令人严重关切的问题。一方面，我国的碳纤维工业充斥着不适当的劳动、闲置的设备、浪费的能力和高生产成本;另一方面，在国际碳纤维行业巨头的蓄意压力下，碳纤维的价格一次又一次的下跌，甚至下跌。碳纤维公司面临着高水平的生产和损失。今天，我国碳纤维企业长期面临“内忧外患”，大多数企业几乎要减产甚至停产。

1.2 主要挑战

目前，与发达国家相比，我国碳纤维的技术、设备、品牌、特性等还不足以提高产量和质量。主要问题包括：

1.2.1 双层建筑，能力利用率低

在具有国际竞争力的九大碳纤维生产商中，日本三家，美国两家。近年来，在国家政策的引导下，我国碳纤维产业从碳纤维工程中诞生，目前我国碳纤维行业已有30多家碳纤维企业。很多企业投资建设，但同时，低层次投资同质化现象居多。炭工业的健康发展受到以下因素的严重阻碍：创新能力不足、生产力低、利用率低和竞争力低。

1.2.2 技术相对落后和产品质量差

目前，我国的碳纤维工业相当于1980年代外国碳纤维公司的工业，缺乏有产权的基本生产技术。系统名称技术多样化且不完善。生产工艺路线单一，生产工艺稳定性差，能耗高，物料消耗大，成本高。同时，由于我国碳纤维产业缺乏创新设备，原有创新能力较差，这就导致家用碳纤维制品的稳定性和可靠性较低，而且在制备低碳树脂产品的过程中应用不当，因此有高水平产品的产业化程度及与国际同类产品的主要差异。

1.2.3 市场技术自主发展的应用，缺乏工业牵引

我国碳纤维的使用与碳纤维的制备无关，碳纤维上下游发展极不平衡。几乎完全依赖进口纤维，国家碳纤维产业发展缺乏足够的激励措施，直接导致碳纤维公司活动率低，大量能源浪费。同时，在碳纤维化合物的设计、制造和应用方面与世界各发达国相比还有很大差距。这个直接制约了国产碳纤维化合物在高质量产品中的应用和扩大工业。因此，应进一步提高复合材料及制品的设计制造技术，开发市场下游的碳纤维。与金属材料或其他工程材料相比，碳纤维化合物具有许多优异的性能。

例如：

①材料性能的可剪裁性大，大多数碳纤维增强塑料可以通过增强纤维的取向和数量来适应建筑材料的性能，为了得到更好的性能结果。例如，化合物可以设计成在主驱动方向上有足够的引导来传输加载。在其他方向也有适合承载剪切荷载或其他荷载的纤维。通过不同的成型工艺可以形成多纤维取向结构。复合材料的可加工性不仅可以提高材料的加工效率，而且有助于将材料的结构和生产集成到结构中，这不仅简化了生产过程，而且降低了生产成本;

②多种成型工艺选择，工艺经过几十年的发展而成，有高压釜法、成型法、纤维缠绕法、注射成型法等几十种不同的成型方法工艺，实际应用可以根据零件特性、材料种类、生产尺寸和与成本相适应的成型方案来选择;

③良好的抗疲劳性能，其原因是当裂纹由表面向内层扩展，当碳纤维布到达纤维取向层时，纤维取向层出现裂纹扩展，极大地提高了CFRP的疲劳强度。结果表明，钢和铝的疲劳强度为静强度的50%，而碳纤维织物的疲劳强度高达90%。

2 关于碳纤维复合材料的使用

碳纤维适用于航空航天对高材料的要求性能。在近年来，随着碳纤维化合物优良性能的认可和接受，其在能源应用、交通运输、汽车、海军、建筑等工业领域发展迅速。

航空应用。为了提高飞机性能，美国空军材料实验室从20世纪50年代开始寻找一种新型结构材料。碳纤维复合材料是基于对玻璃纤维复合材料的理解和经验，正是在此背景下被列入发展计划的，对碳纤维复合材料进行相应的研究与开发，因此研究高密度和低密度的改良纤维是开发高性能纤维复合材料的先决条件。在碳纤维之前，已经开发出硼纤维，1960年开始少量生产，其直径约为100微米的钨芯硼纤维，其弹性模量达400GPa，抗拉强度为3800MPa;经过循环氧改善的硼纤维。是40GPa玻璃纤维化合物的弹性模组（相对密度为1.8%）的五倍，约铝合金的（相对密度为2.7）的弹性模组为70GPA（相对密度为2.0%）的三倍。因此，实验室将经过氧化硼改良的硼纤维复合材料视为美国空军材料中的先进复合材料，并于1960年代后期开始应用于飞机结构，如飞机尾部的横向和纵向结构等。然而，硼纤维的生产过程既复杂又昂贵，而且硼纤维本身也很难操作。在这一基础上，我们已开始发展碳纤维复合材料，到了60年代末，我们成功地开发了碳聚丙烯腈纤维，并实现了大规模生产。自那时以来，碳纤维复合材料一直用于这一领域。航空航天碳纤维（CFRP）是非常合成的，被认为是空间结构的理想材料。近四十年来，碳纤维化合物在航空航天领域的应用取得了很大的进展。

3 结语

综上所述，鉴于上述情况，我国碳纤维工业正处于发展的关键阶段。随着国际碳纤维产业的快速发展，我国也迫切需要高性能的碳纤维产品。国家碳纤维公司需要更明确地界定其在国防、民航、劳工等高端航空航天工业中的主要创新地位。为了适应我国的需要，实现我国碳纤维产业的快速健康发展，必须发展低成本的高性能、高稳定性的碳纖维产品的大规模生产和实际应用。我国碳纤维及其复合材料工业的发展任重道远。

参考文献：

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