魅力碳纤维—未来主宰世界的先进材料

申屠年

（富阳特种纤维应用研究所，杭州 311400）

魅力碳纤维—未来主宰世界的先进材料

申屠年

（富阳特种纤维应用研究所，杭州 311400）

碳纤维既黑而又强壮，现已被制备的强度高达60 GPa，在未来5 年其生产效率将提高10 倍。当前和今后推动其发展的动力，主要来自新一代飞机、风电叶片、汽车、压力容器、模塑物、机器人、建筑补强材料等的需求。由于近期碳纤维工艺技术的创新发展，使碳纤维的成本不断下降，应用面迅速扩大，到2020年仅汽车用碳纤维复合材料的市场，就有望达到6×109美元，到2025年碳纤维在汽车的需求量预计将达到7.5×105t，而2015年全球碳纤维的总需求量才6×104t，到2020年将激增至1.4×105t，到2025年在节能环保法律的推动下，将呈现飞跃式的发展，其应用领域将伸展到国民经济和人类社会的方方面面，成为主宰世界的先进材料。

碳纤维；碳纤维复合材料；市场需求；创新发展；应用领域

0 引言

碳纤维虽长得黑，却有无与伦比的强度，现已被制作出来的创新型碳纤维拉伸强度竟达到了60 GPa，改变了以往的脆性身材，而拥有强大的冲击吸收能，其复合材料可抵挡相当于坦克装甲6倍的穿甲弹冲击能。

另一方面，快速的技术进步，使其生产效率在未来5 年内提高10 倍，将大大降低生产成本，使之在2020年之后得以迅速普及应用于汽车、火车、新能源、日用电子消费品、船舶、集装箱等箱体和容器类、机械部件、国防军工和诸多原金属等传统材料所广泛使用的领域。为此，加冕碳纤维为“新材料之王”并不为过。

1 目前的发展现状

1.1 全球碳纤维需求量预测

表1示出目前和未来世界碳纤维的需求预测。

图1示出日本东邦Tenax公司统计和预测的碳纤维需求情况，到2015年约达到6×104t/a，而到2020年约提高至1.4×105t/a。

表1 2015～2024年全球碳纤维需求预测×104t/a

图1 日本东邦Tenax公司统计和预测的碳纤维需求情况

东丽则预测，2015年全球碳纤维需求量比2014年增长14％，2015年和2016年将各达到6.1×104和7×104t/a，自2016～2018年增速约为17％。

1.2 碳纤维的具体需求领域发展概况与动向

1.2.1 飞机

如表1所示，飞机是应用碳纤维量较多和增长较快的领域，世界最大的碳纤维厂家东丽公司在2015年碳纤维的销售额中，飞机的用量比2014年增长25％，增幅7.12×1010日元，一般产业增长19％，增幅5.66×1010日元，而体育休闲用品只增长3％，增幅1.23×1010日元。这些增幅受益于2005年11月东丽与波音公司签定的为B-787和B-777X新型飞机提供碳纤维预浸料的协议，合同金额预计超过1.1×1010美元，合同期延至2019年。波音飞机公司计划自2016年起将B-787飞机的月产量由原10 架提升为12 架，而到2020年底再提高至14 架。B-777X是大尺寸双引擎民航客机，比B-777性能更优越，计划于2020年交付第一架B-777X飞机。

在空客飞机方面，2014年飞机的订货数为1 456 架，相当于以往的2 倍，而2014年波音飞机的订货数为1 432 架，都创造了历史最高纪录。到2014年底空客飞机的订货数量累积为6 386 架，而波音飞机为5 789 架。自2015年1月15日起，A-350正式投产，预期碳纤维的需求量将持续旺盛。

此外，加拿大、巴西等中小型飞机制造商也在开发碳纤维复合材料使用质量分数较高的新型飞机。而我国的国产C919飞机于2015年开始投产，其中碳纤维复合材料使用质量分数只有约12％～15％，而B-787和A-350的使用质量分数各为50％和52％。日本的MR-70新型机也采用了碳纤维复合材料。

军用飞机、无人机和直升飞机的大发展，是另一推动碳纤维发展的动力，美国的F-16、22、35的编号即为碳纤复合材料在军机上应用的质量分数，质量分数越高意味着战机的轻量化、机动性、远程化和先进性越高。

1.2.2 风力发电叶片

根据世界风能协会（WWEA）“2014上半年的报告”，新风电的导入量为17.6 GW，比2013年同期的14.0 GW增长了26％，2014年全球全年新导入的风电量为42 GW，到2014年底全球风电发电量预计已达到360 GW，相当于约全球电力需求总量的4％，今后风电新导入量预期将以50～60 GW/a的速率增长。

目前全球风电叶片所需碳纤维约占世界碳纤维总需求量的34％，今后随着风电叶片的大型化和向海洋发展，要求进一步实现叶片的轻量化、高强度、高刚性、抗冲击等，因此碳纤维的使用量势将迅速扩大。

以50 m长的风电叶片为例，若每支叶片采用3 t碳纤维，即一座3 支叶片的风电采用9 t碳纤维，其发电量约为4 MW，且寿命长，而采用玻璃钢的只有约2.5 MW，寿命相对短些。

我国目前是世界风电最大生产国和使用国，但大都为中小型玻璃钢叶片制的风电场，与国外差距甚大，近年来在国家战略指导下，许多风电厂家已研制和生产出大型碳纤维复合材料为主梁的叶片，如大连瑞华在上海的风电厂，叶片长度达约75 m，发电量6 MW，连云港中复连众风电公司推出75 m长的风电叶片，发电量6 MW，保定辉腾风电公司的叶片长120 m，发电量7 MW等。

我国还有独具一格的小型风电企业北京希翼新兴能源科技有限公司，专产300～5 000 W碳纤维复合材料叶片及其全套风电装置，已销售到世界50多个国家。

1.2.3 汽车

汽车是排放“暖室气体”最多的交通工具之一，世界各国都在强化法律法规，到2020年美、欧、日本和我国都制定了新出厂的汽车必须达到每消耗1 L汽油的续驶里程和汽车排放每立方米尾气所含温室气体的微克数。欧洲将于2021年进一步限制CO2的排放量在95 g/km以下，而在2012年为140 g/km，即10 年内其排放量须削减50 g/km，因此汽车须减质量分数约55％～60％，最理想的代钢材料为碳纤维复合材料，而目前其生产成本较高，只能用于高档车，如宝马的i3、i8和X5，福特的GT、Shelby、GT350R和Mustang，奥迪Q7，Lexus LFA，兰博基尼Aventador J以及其它汽车公司的新款车等，其中宝马X5全碳纤维复合材料汽车将于2018年推向市场，其竞争对手为全新的奥迪Q7。

目前碳纤维及其复合材料的价格较贵，只能用于7×105元人民币以上价位的高档轿车、跑车等。今后随着碳纤维生产工艺和复合材料成型技术的创新发展，以及快速成型固化剂与新型低成本添加剂的出现，汽车轻量化、环保化和节能化的进程，在未来10 年内将比预期还快，到2020年汽车用碳纤维复合材料的市场将约达到6×109美元，到2025年碳纤维在汽车的用量预计将达到7.5×105t，其中约70％为低成本大丝束碳纤维。

在汽车轻量化和碳纤维化方面，我国相对落后，但在“十三五”期间将快速启动。

1.2.4 压力容器

伴随着美国油页岩产量急增和天然气价格的下降，以及天然气作为燃料比汽油可少排放26％的暖室气体，环境负荷小，因此近年来压缩天然气（CNG）汽车趋于普及，在天然气管线等基础设施相对薄弱的地区，需要靠大型CNG运输罐，这些高压容器都是碳纤维缠绕的压力罐。近年来东南亚和我国对CNG瓶的需求在不断增长。此外，去年丰田等公司开始投产的氢燃料汽车，需要配套高压（70 MPa）氢气瓶和供氢站所需的大型压缩氢气储罐，这些都是由碳纤维复合材料制成的。

近年来，各种火灾频发，为了抢救人民和国家的生命财产，消防员用的压缩空气瓶需求越来越多，而且需用碳纤维复合材料实现轻量化。为此，近来各国对碳纤维压力容器的需求越来越高涨。

我国的碳纤维压力容器已有多年生产历史，航天康本、中复神鹰等公司都有产品。

1.2.5 碳纤维模塑料及其制品

碳纤维增强热塑性树脂的母粒简称模塑料，除用于汽车的非承力件如车身、引擎盖、后备箱盖等外，最近在手机、笔记本电脑等日用电子消费品、滑动部件等的需求量迅速扩大。预期到2020年的市场规模会达到3×104t。

为了大幅度提高其抗冲击性，东丽在碳纤维增强热塑性树脂中添加入短切（2.5 mm）有机纤维，商品名“H-TLP”。如在聚丙烯树脂中添加质量分数10％短碳纤维和4％有机纤维，其成型品的抗冲击强度比长碳纤维增强聚丙烯母粒高2 倍以上，比短碳纤维母粒高4 倍以上。

东邦Tenax公司选择高强和难燃的聚醚砜热塑性树脂作为碳纤维复合材料的基体，碳纤维质量分数可高达55％～60％，成型时间最短为4 min，成品强度和模量接近于碳纤维增强热固性树脂。

1.2.6 机器人

21世纪将是机器人的世界，机器人的手臂是关键部件，要求力学性能好而应答快，因此须采用碳纤维复合材料。目前机器人的需求量约160 t/a，才占一般产业用碳纤维约2％，但增速将加快，到2020年预期将增至400 t/a。

1.2.7 建筑物补强

目前全球正处于第5期地震活跃期，6和7 级以上强震在世界各地轮回，据国家地震局的内部报告，在我国可能发生7 级以上大地震的省会城市共22 座，可能发生7.5 级以上特大地震的省会城市16 座，但频发地区却在相对落后和人口较少的边远地区。为此，我国适时的制定了“防震减灾法”，对促进我国碳纤维复合材料的应用起重要作用，现我国碳纤维补强材料的用量已超过1 000 t/a。

自阪神大地震后，日本政府制定了5 年加固计划，前3 年把全国所有海桥和公路桥的桥墩用碳纤维片材、辊材、复合材料板材等加固。后两年将高速公路重要路段包括桥面进行补强，以保证地震发生后可顺利运送补给等物资。

1.2.8 体育休闲用品

目前全球在体育休闲用品的需求量约以3％的速率增长，但地区发展不平衡，由于以亚洲为中心的新兴国家的富裕阶层不断增加，碳纤维复合材料自行车因其轻量、高刚性和抗冲击性优，加上在颠簸路面行驶时可以吸收造成不舒服的微振动，乘坐舒适，难以疲劳，因此和高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍及钓鱼竿一样，需求量增长较快。今后的发展趋势是朝高强度化、高模量化、广泛化和易加工性的方向发展。

拿世界冠军的运动员，凡是采用运动器材的，大多选用碳纤维复合材料制品，其中轻量和结实是首选。

在休闲用品方面，手提琴、竖琴和吉他及其箱体等，越来越多采用碳纤维复合材料。

1.2.9 其他

其他正在扩大应用的还有海底油田的耐压耐腐蚀管道类、脐带式软管和锚固缆绳；火车车体、座椅等；自动两轮车用座圈盖、消音器罩和支架；板簧、轴承、齿轮、轴承保持架、凸轮、纺织机械部件；高速离心转子、铀浓缩高速转筒、飞轮、工业长罗拉和旋转轴；化工搅拌器、泵体部件、管道、储罐和筛条；医用手术部件、人工骨、关节、韧带、腱、手术部件、轮椅、X-光和CT床板、假肢、医药箱、手术台等医疗器械；印刷机轴承、模动盘、机罩等办公设备；伞架、头盔、面状发热体、眼镜架、照相机部件、行李箱、时尚手提包、钱包等各种日用品。

1.3 碳纤维厂家的产能

为了适应全球碳纤维需求的快速发展，各主要碳纤维公司又开始了产能的扩充，表2～3示出国内外主要厂家到2020年的扩产情况。

在“十三五”期间，我国一些企业将新建或扩建大丝束（48k以上）碳纤维生产线，填补我国的空白产品。

表2 国外聚丙烯腈基碳纤维企业的产能kt/a

2 碳纤维的创新发展

近期国外碳纤维厂家的重大技术创新，主要来自日本企业和由NADO（日本能源产业技术综合开发机构）主导的联合科技攻关。

2.1 超级碳纤维

据报道，日本东丽研发出惊人的T2000超级PAN-CF，拉伸强度相当于碳纤维理论值（180 GPa）的1/3，达到了60 GPa，相当于T1100（6.6 GPa）的9.1 倍。其关键技术是采用辐射聚合法引发丙烯腈与共聚单体的聚合，避免因引入引发剂而在原丝中导入杂质。其次是确保聚合过程各工艺参数的一致性、纺丝原液的均一性、纺丝张力和拉伸倍数的恒定、以及碳化线工艺参数的稳定控制。再次是将碳纤维的5 大缺陷降至最低限，包括杂质、内部空隙、结构缺陷、表面缺陷、毛丝和并丝。

上述超级碳纤维的出现，改变了以往碳纤维属脆性材料的弱点和定论，由于其断裂伸长率的提高，使其复合材料（CFRP）具有抗冲击和防弹特性，对实现武器装备的超轻量化、节能和提高综合性能起到关键作用，新一代战斗机可实现机动化、高速化和远程化，而其坦克装甲的防穿甲弹能力提高6 倍。

某C公司则开发出全新的PAN纺丝技术和碳化后特殊处理技术，使PAN-CF的拉伸强度最高达到76.59 GPa，相当于T1100的11.6 倍，最高模量为3 113 GPa，相当于T1100的9.9 倍。更重要的是，这种新工艺的生产效率极高，纺速最高达800～900 m/min，碳化速度达16 m/min，因此生产同性能档次碳纤维的成本，比以往法低25％。

表3 中国PAN-CF主要生产厂家的产能及扩建年计划kt/a

2.2 高效和低成本碳纤维

日本NADO正组织东京大学和日本3 家碳纤维企业联合攻关，计划在3～5 年内将PAN原丝和碳纤维的生产过程大幅度简化，能耗下降50％，生产效率提高10 倍。新工艺的创新点在于，在纺织腈纶用廉价丙烯腈中添加氧化剂等，开发出可纺性和阻燃性兼备的新型聚合物，并可在纺丝阶段完成预氧化，而且可利用现有腈纶生产厂生产PAN原丝。在碳化工程，利用微波从纤维内部加热来制得高品质PAN-CF，与从外部加热的以往加热炉不同之处是加工时间短，不存在性能离散问题，但须最终加热至1 000～2 000 ℃。表面处理选用等离子体技术，时间可缩短至数秒钟，并使表面处理的能耗减半。目前已达到的PAN-CF模量为240 GPa，今后的研发方向和目标如图2所示。目标是5～10 年内实现产业化。

三菱丽阳公司在提高PAN-CF成本竞争力方面，达到了世界最高水平，主要是通过“去瓶颈”将大竹事业所原有的2 700 t/a产能提高至4 000 t/a，减少投资约1×109日元，计划于2017年完成，这将是全球最大的单线产能。该厂将集中生产50k的PAN-CF，以往新建的2 000 t/a新设备约需投资6×109～1×1010日元。产品销售目标为2018～2020年将陆续投产的新型车种。

图2 今后的研发方向和目标

3 结束语

目前举国上下正在学习贯彻中央科技创新大会的精神，这将为“新材料之王”——碳纤维的创新发展带来了空前的机遇，相信到2020年我国在超高性能碳纤维方面，有望攻克7 GPa强度和相当于M60J和M65J模量的百吨级/年生产技术，并发展高效、节能和低成本的碳纤维，满足航空航天、国防军工和产业领域的广泛要求，为中华民族的伟大复兴贡献一份力量。

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Glamour carbon f ber-Advanced material that will dominate the world in future

SHEN Tu-nian
( Fu Yang Specialty Fiber Application Institute, Hangzhou 311400 China )

Carbon fiber is black and strong, its tensile strength which has been made now reaches 60 GPa, and the production efficiency will raise 10times in 5 years. The motive forces of developing carbon fiber from now on are the demand from airplanes, wind power blades, cars, pressure vessels, molding compound, robots and reinforced materials for buildings. As a result of innovating developments in technologies of carbon fiber nearly, the production cost of carbon fiber will be lower and lower, the application field will be broadened continuously, the market of CFRP using in cars merely until 2020 may possibly reach about 6 billion dollars, and the demand of carbon fiber in cars only will be 7.5×105t in 2025 according to the report, while the total demand of carbon fiber all over the world was 6×104t in 2015, and will reach to 1.4×105t in 2020 rapidly, and the demand will further develop by leaps and bounds until 2025 by the promotions of energy saving and environment protection lows, its application field will extend to all respects of national economy and human society, so carbon fiber will become an advanced material which will dominate the world.

carbon fiber; CFRP; market demand; innovation development; application field

TQ342.742; TQ327.3

: A

: 1007-9815（2016）03-0001-06

定稿日期: 2016-06-25

申屠年（1955-），男，杭州人，高级工程师，所长，《高科技纤维与应用》杂志常务副主编，中国复合材料学会常务理事，浙江省复合材料学会副理事长，长期从事高科技纤维及其先进复合材料的学术、技术、信息、产业、产品和人才的综合研究与开发，(电子信箱)shentunian@126.com。