国内碳纤维产业发展浅析及展望

2017-04-23姜茂川范雨娇

新材料产业 2017年8期

姜茂川范雨娇

碳纤维作为国家战略性新材料，随着碳纤维复合材料应用的扩大得到越来越多的重视。碳纤维复合材料的优势主要在于以下几点：①低密度，碳纤维复合材料的密度一般在1.5～1.8之间，而传统结构材料中铝的密度为2.7，钢的密度约为7.8，要远大于碳纤维复合材料；②高的比强度、比刚度，其比强度是钢的7～8倍、铝的3～4倍，比刚度是钢和铝的2～3倍；③具有优异的耐疲劳、耐腐蚀性能，使用环境和寿命均有较大保障；④可设计性，复合材料是一种各向异性材料，可以通过铺层设计来达到性能与结构的最优配置；⑤易于整体化成型，作为结构材料，其具有整体化成型的优势，可大大减少装配与维护成本[1-3]。

一、国内碳纤维产业发展背景

20世纪60年代基于我国航空航天领域对碳纤维材料迫切需求的背景下，国内开始组织开展对碳纤维的基础研究工作。但是由于碳纤维的制造工艺复杂、多学科交错、基础技术要求高等原因，直至20世纪80年代，我国虽已建成碳纤维原丝生产线，产品性能基本达到当时日本东丽T200级的水平，但产品质量及稳定性一直未能突破，无法作为航空航天用结构材料[4]。20世纪90年代后期，北京化工大学在国家部委立项支持下实现了碳纤维原丝制备关键技术的突破，中国石油吉林石化公司（以下简称“吉林石化”）依此开展了工程化研究，用溶剂法代替了硝酸法，使得我国碳纤维制备技术成功转型，为之后国产碳纤维的产业化应用打下了基础[5]。

21世纪初，随着国内外碳纤维材料的应用进一步扩大以及国内材料界前辈的推动，我国对碳纤维产业更加重视，国内逐渐建立起碳纤维及其复合材料的“产、学、研、用”体系，实现了碳纤维行业较为完整的产业链，促进了碳纤维行业的发展[6]。在原丝制备上形成了以有机溶剂1步法纺丝为主，其他溶剂1步法或2步法纺丝并存的原丝制备体系，解决了以往国产碳纤维离散性大、强度偏低等难题[5]。至2011年底，国内碳纤维企业中具有500t产能以上规模的企业达到了7家，其中有4家建立起千吨级生产线。

近年来，碳纤维的研究方向朝着更高强度与更高模量的2个方向发展，图1中列出了日本东丽的主要碳纤维产品型号的性能。日本东丽的研究认为，控制纤维表面的微缺陷可以得到更高强度的碳纤维，纤维中石墨晶体的轴向取向好可以得到更高模量的碳纤维[7]。鉴于湿法纺丝本身的工艺缺陷，从微观形态上来看其纤维表面具有较多的微缺陷，這些缺陷对碳纤维的拉伸强度有较大的影响，因此如果沿用湿法纺丝工艺，很难制备出具有更高强度的碳纤维。参照国外的生产经验，国内各大科研院所、高校开展对干喷湿纺工艺的研究，干喷湿纺碳纤维由于存在空气层的牵伸，纤维表面缺陷更少，更容易获得高强度的碳纤维[8]，日本东丽的T800S、T1000G等高强碳纤维均采用该纺丝工艺。至2016年，国内干喷湿纺碳纤维技术趋于成熟，威海拓展纤维有限公司、江苏恒神纤维材料有限公司、中复神鹰碳纤维有限公司等企业均形成了干喷湿纺的大规模生产线，具备了T800级碳纤维规模化生产的能力。

综合来看，截至目前，国产T300、T700级碳纤维性能达到国外同类碳纤维的水平，已实现千吨级的稳定生产并获得应用，实现自主保障，并在进行民用飞机复合材料验证；国产T800级碳纤维制备关键技术已基本突破，完成了材料全面性能的初步评价，开始进行工程化验证和批生产项目；高模量M系列碳纤维的研发工作已经开展，其中M40J级别的碳纤维实现了小批量供应。

二、国内碳纤维产业现状

碳纤维产业链的核心环节包括上游原丝生产、中游碳化环节、下游复合材料及应用；工业链条从原丝、碳化、预浸料、复合材料，有甚高的一致性要求，体现为技术密集型产业。碳纤维制造工艺复杂，是一项集多学科、精细化、高尖端技术于一体的系统工程，其涉及物理、化学、纺织、材料、精密机械、自动化等多个学科领域；工艺流程包括温湿度、浓度、年度、流量等上千个参数的高精度控制，综合控制最终才能保证碳纤维性能与质量的稳定性。

在国家政策扶持下，我国碳纤维行业在关键技术、装备、产业化生产及下游应用等方面均已取得重大进展，高强型碳纤维千吨级产业化装置陆续建成并投产；高强中模型工程化关键技术得到突破，百吨级生产线陆续投产并进入应用验证阶段；高模型碳纤维随着超高温碳化炉等技术突破，也已进入工程化应用验证阶段。但是由于我国碳纤维关键技术突破较晚，且国外在碳纤维及其复合材料领域一直对我国实行技术封锁，导致我国碳纤维产业的发展相较国外仍有着较大的差距。

据统计至2016年底，全国具有千吨级生产线的企业有6家，500吨级生产线的企业5家，100吨级生产线的企业9家，还有10多家产能不足100t的企业，如图2中所示。以上全国30多家主要碳纤维企业的产能约为22 000t，总产能却还不到日本东丽的一半；2016年碳纤维年产量仅为3 600t左右，产能释放率不到20%；2015年我国碳纤维实际需求量约为1.84万t，自给率仅为20%。

三、国产碳纤维应用情况

根据碳纤维的应用领域不同，目前碳纤维及其复合材料的研究主要分为2个方向。一个是面向军工行业、新型飞机、宇航探索等高新领域，其对材料的性能提出了更高的要求，促使碳纤维向着高强度、高模量的方向进行研究；另一个是面向民用领域包括汽车、轨道交通、风电叶片、体育器材等，其对碳纤维的迫切需求是降低其成本并提高其使用效率。

图3统计了2015年国内碳纤维在各分市场的应用情况[9]。目前国产碳纤维主要应用在体育器材、建筑增材、电缆复合芯、模成型等低成本领域，而对于航空航天、汽车、风电等高增值领域尚未完全开发，未来有很大的发展空间。

目前，在高端碳纤维及其复合材料重点应用的航空航天领域，国产T300级碳纤维已在国内某型飞机的平尾、垂尾、襟副翼、扰流板等位置获得应用；中简科技发展有限公司的ZT7H系列T700级碳纤维通过了XX工程A状态01～05架装机评审，各项性能满足指标要求，进入小批装机阶段；中航通用飞机有限责任公司研制的世界最大的水陆两栖飞机AG600（见图4）也采用了国产碳纤维预浸料制造其复合材料部件并取得适航认证[10]；吉林精功碳纤维有限公司与中国航天科工集团公司合作将国产碳纤维复合材料应用于火箭发动机及其燃烧室筒体，与航天科技集团合作将国产碳纤维复合材料应用于某导弹防热套、口盖、包带、头锥等。

建议国内碳纤维行业要以复合材料设计单位及生产企业的要求为前提，联合碳纤维企业发展有自身特色的碳纤维产品；推动国内碳纤维产业整合，引导建设具有核心竞争力的碳纤维生产企业；走碳纤维研发、设计、应用、产业化的发展道路，促进各企业开放合作形成“既有竞争又有合作”的技术创新模式；扩大国产碳纤维在高端领域与民用领域的应用范围，促进我国碳纤维复合材料产业化发展。

参考文献

[1] 李建利，张新元，张元，等.碳纤维的发展现状及开发应用[J].成都纺织高等专科学校学报，2016（2）：158-164.

[2] 沈真.碳纤维复合材料在飞机结构中的应用[J].高科技纤维与应用，2010（4）：14-24.

[3] 刘善国.国外飞机先进复合材料技术[J].航空制造技术，2014（19）：26-31.

[4] 顾超英.碳纤维复合材料在航空航天领域的开发与应用[J].化工文摘，2009（1）：17-21.

[5] 徐樑华.高性能PAN基碳纤维国产化进展及发展趋势[J].中国材料进展，2012（10）：7-20.

[6] 张定金，陈虹，张婧.国内外碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势[J].新材料产业，2015（5）：31-35.

[7] 贺福.缺陷是碳纤维的致命伤[J].高科技纤维与应用，2010（4）：25-41.

[8] 董兴广.干喷湿纺中凝固牵伸对碳纤维前驱体PAN初生纤维的影响[J].广东化工，2011（8）：48-50.

[9] 黄克谦，叶永茂，杨金波，等.中国碳纤维产业发展现状、趋势及相关建议[J].开发性金融研究，2015，（3）：84-91.

[10] 王恒.宏图志远引领复材大发展[N].中国航空报，2015-02-10（T01）.

[11] 仝建峰.汽车用碳纤维复合材料产业现状和对策[N].中国航空报，2015-07-18（S2）.