【行业资讯】中国碳纤维发展历史

2019/09/26 371

文章来源:重庆大学 王新筑供稿
(部分图片、文字资料来源于网络)

碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。它既有碳纤维的固有特性,又兼具纺织纤维的柔软可加工性。从碳纤维问世到现在已有100多年,现而今碳纤维的应用已经深入到我们生活的方方面面,大到航天飞机,小到手机壳,碳纤维的身影随处可见。

国内碳纤维产业发展大致经历了三个阶段:

(1)我国验证PAN基碳纤维始于20世纪60年代中期,起步可谓不晚。在20世纪70年代初期,在相关研究实验室已突破连续化工艺。即连续预氧化和碳化。1974年7月,中国科学院山西煤炭化学研究所开始设计我国第一条碳纤维生产线,并于1976年建成。生产出碳纤维的拉伸强度为2.8GPa,拉伸模量为250GPa,断裂伸长率1.5%。该中试生产线通过国家鉴定和验收后,荣获1978年全国科技大会奖。之后,整体搬迁到中国石油吉林石化公司生产碳纤维,之后的研制工作缓慢向前,没有取得突破性进展。为了提高碳纤维的拉伸强度,当时采用不强工艺。后该工艺被淘汰。研发工作止步不前。

(2)20世纪70年代,国产碳纤维质量比国外差,但差距不是十分大,原国防科委主任开始主持碳纤维研发工作,先后组织了二十多名科研和企事业单位,组成原丝、碳化等五个专业组进行相关研究。但由于知识产权归属问题没有得到妥善解决,各部门之间的利益难以协调,进展速度缓慢。在此之后的80年代中期,我国也陆续尝试走引进开发之路,但均以失败告终,差距愈来愈大,而同期国外碳纤维质量得到大幅度提高,并进入大批量生产阶段,而国内在80年代、90年代和21世纪初,仍一直在攻坚原丝质量和批量生产技术。

(3)进入2000年,两院院士师昌绪提出要大力发展碳纤维产业,这引起了政府的重视,至此我国开始采取措施大力支持碳纤维领域的自主创新,在863、973计划中也将碳纤维作为重点研发项目。2005年,当时国内的碳纤维行业企业仅有10家,合计产能仅占全球产能的1%;2008年,以国有企业为代表的企业开始进入碳纤维行业,但大部分企业在核心关键技术上还无任何突破,无论是生产线的运行还是产品质量,都极不稳定;进入2010年,国内碳纤维生产能力占世界高性能碳纤维总产量的0.5%;2010至2014年期间,我国碳纤维产能从6445吨增至15000吨,产量从1500吨增至3700吨,发展取得了相当的成绩。

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图1 2012年,师昌绪先生参加碳纤维PAN原丝关键技术研讨会

2012年1月,国家工信部公布了“十二五”规划,其中碳纤维计划产能为1.2万吨/年,2014年以来,随着国内碳纤维企业的茁壮成长,我国碳纤维理论产能总体呈现增长的态势。到2017年,中国大陆的碳纤维产能为2.60万吨,仅次于美国和日本,比重为18%。中国台湾的碳纤维理论产能也达到了0.88万吨。目前我国从事碳纤维复合材料研制及生产的单位近百家,产能千吨以上的公司仅有7家,分别是中复神鹰、江苏恒神、精工集团、光威复材、中安信、兰州蓝星、太钢钢科。其中中复神鹰产能最高,达6000吨。但国内碳纤维大部分是小丝束,单条线产能仅有百吨级,规模效应无法发挥,导致国产碳纤维成本甚至高于国外的市场售价,行业普遍处于亏损状态。

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图2 江苏恒神制备的全世界第一辆全碳纤维地铁车体

而且我国碳纤维产能释放明显不足,2017年我国国内企业碳纤维销量大约是7400万吨,销量/产能比为28.46%,同期国际销量/产能比为57.20%,如不考虑中国因素,其他国家的销量/产能比为63.40%。可见,我国碳纤维企业的销量/产能比要远低于其他国家平均水平,具备较大的提升空间。

另外,碳纤维行业总体技术尚不成熟稳定,产品质量及性价比相对较低。不过,随着我国高端碳纤维技术的不断突破以及生产向规模化和稳定化发展,企业布局逐渐向高附加值的下游应用领域延伸,我国碳纤维行业将逐步实现进口替代,企业盈利能力有望逐步恢复,市场走向良性健康的发展道路。

例如,我国已经攻克了国产T300级碳纤维、国产T700级碳纤维和国产M40石墨纤维的工程化和应用问题,解决了以上这三种材料的有无问题;突破了国产T800级碳纤维和国产M40J石墨纤维的关键制备技术,实现了工程化生产,主体力学性能达到东丽T800碳纤维和M40J石墨纤维水平;突破了国产T1000碳纤维和M50J、M55J、M60J石墨纤维实验室制备技术,具备开展下一代纤维研发的基础。
目前国内碳纤维市场中,国产碳纤维自给率只有20%左右,对外依存率达到80%。国外碳纤维企业通过技术及价格优势打压国内碳纤维企业,使我国的碳纤维市场长期受制于欧美及日本等国家。

碳纤维复合材料的设计水平不足,配套的材料缺乏,相关的应用标准体系不健全,导致应用领域窄。此外,树脂、上浆剂等配套材料品种少、性能不足,复合材料用辅助原料还不能完全实现自主供给,部分品种还依赖进口等,不仅制约了碳纤维复合材料在高端制品上的应用,同时还严重影响着国产碳纤维的市场应用。

国外碳纤维龙头企业使用的设备基本上都是根据自身技术特点进行的自主设计,在专有设备的基础上改进升级,形成了具有自主知识产权的专有碳纤维生产装备;而国内引进的国外生产设备是非禁运通用型碳纤维生产装备,且价格较高。虽然国内碳纤维生产企业中设计产能千吨级以上的有7家,但由于缺乏核心技术团队,大多数碳纤维生产企业对进口生产装备的技术参数和性能指标缺乏消化和吸收能力,生产线自动化程度和对自身碳纤维生产技术的匹配性远远落后于国外同行,导致生产工艺的稳定性和过程控制的一致性较差,影响了碳纤维产品质量和稳定性,且生产成本很高,造成设备闲置、经营亏损,目前还无法与国际先进企业竞争。

不仅如此,目前我国大多数碳纤维企业产品处于低端领域,且行业集中度不高,有能力生产航空航天用的高端碳纤维企业屈指可数,大量企业集中于体育领域。但日本、美国等发达国家的碳纤维行业集中度极高,日本以东丽、东邦、三菱为主,美国则以HEXCEL和CYTEC占大头,在价格制定和攻关科研方面更容易形成合力。

更重要的是,我国碳纤维的产业链需要进一步完善。目前,国外已经形成设计、制造、分析及验证、应用牵引系统化的碳纤维复合材料体系。如日本东丽和美国赫克塞尔都有预浸料、织物、短切纤维、夹层材料等中间成型物,同时,直接为客户提供量身定制的复合材料解决方案和产品,方便了客户的使用,也解决了碳纤维产品与树脂匹配性问题。由于国内大部分碳纤维复合材料企业技术尚不成熟,缺乏相应的研发及工艺支持,目前尚未能形成体系化、系列化的碳纤维产业链发展模式。

我国的碳纤维产业目前较世界先进水平仍有差距,未能在市场上抢占先机。国家政策作为产业发展的催化剂,近年来,国家持续发布相关政策推动碳纤维健康有序发展。从国家的政策可以看出,国家把碳纤维作为新材料进行推广和应用,持续引导国内碳纤维发展,计划到2020年初步形成2-3家具有国际竞争力的碳纤维大型企业集团及若干创新能力强、特色鲜明、产业链完善的碳纤维及其复合材料产业集聚区。但随着碳纤维市场需求的不断扩大和未来随政策的支持,只要相关企业抓住机遇,加强自主创新研发,我国碳纤维行业相关技术将接近国际水平,也将分得更大的蛋糕。

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图3 中国碳纤维发展历程图

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