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一、前言
碳纖維是由有機(jī)母體纖維 (粘膠絲、聚丙烯睛或瀝青等 )采用高溫分解法在1000-3000℃高溫的惰性氣體下碳化制成的，具有強(qiáng)度大、模量高、密度低、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的材料。特別是聚丙烯腈 (PAN)基碳纖維，其性能優(yōu)越，更適合規(guī)模化生產(chǎn)，是當(dāng)今碳纖維的主流，成為了軍民兩用的主導(dǎo)材料，廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、高檔民用產(chǎn)品。其實，碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90％以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維是由含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。 碳纖維作為高性能纖維的代表，屬于高技術(shù)密集型產(chǎn)品，其生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)發(fā)展涉及官、產(chǎn)、學(xué)、研各個環(huán)節(jié)。由于它是發(fā)展航天航空和軍事工業(yè)等尖端技術(shù)必不可少的新材料，也是民用工業(yè)更新?lián)Q代的基礎(chǔ)材料，國外又對其出口進(jìn)行封鎖，所以近年來我國就一直比較重視對其研制和生產(chǎn)，雖然起步較早，投入不薄，但仍處于失利地位，很重要的一個方面是反映出高技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新系統(tǒng)存在的問題。
二、碳纖維的研究歷史
1.碳纖維研究歷史
1950年，美國Wright-Patterson空軍基地開始研制粘膠基碳纖維。1959年，早上市的粘膠基碳纖維Thornel-25就是美國聯(lián)合碳化物公司(UCC)的產(chǎn)品。與此同時，日本研究人員也在1959年發(fā)明了用聚丙烯腈(PAN)基原絲制造碳纖維的新方法。在此基上，英國皇家航空研究院開發(fā)出了制造高性能PAN基碳纖維的技術(shù)流程，使其發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨溃琍AN基碳纖維成為當(dāng)前碳纖維工業(yè)的主流，產(chǎn)量占總產(chǎn)量的90％左右。20世紀(jì)70年代中期，UCC在美國空軍和海軍的資金支持下，研發(fā)高性能中間相瀝青基碳纖維；1975年研發(fā)成功Thornel P-55(P-55)，在1980-1982年之間，又研發(fā)成功P-75、P-100和P-120，年產(chǎn)量為230噸。P-120的模高達(dá)965GPa，是理論值的94％ ，熱導(dǎo)率是銅的1.6倍，線膨脹系數(shù)僅為-1.33×l0-6/K，且在375℃ 空氣中加熱1 000 h僅失重0.3％-1.0％ 左右，顯示出優(yōu)異的抗氧化性能。它們已廣泛用于火箭噴管、導(dǎo)彈鼻錐、衛(wèi)星構(gòu)件、艦艇材料等方面。不僅美國國防部資助碳纖維T業(yè)的發(fā)展，美國國會也關(guān)注碳纖維，國際市場上碳纖維的全方位商業(yè)化始于20世紀(jì)70年代，70年代是高爾夫球棒和釣魚桿應(yīng)用的引入和發(fā)展時期，主要是在日本。
而早在1971年的時候，日本東麗公司成了上制造商，從事PAN基碳纖維的大型工業(yè)化生產(chǎn)，并將其產(chǎn)品命名為"TORAYCA"，是東麗碳纖維的縮寫。目前，東麗是生產(chǎn)和營銷碳纖維的者。在20世紀(jì)80年代早期，碳纖維開始被廣泛地用在客機(jī)和航空飛行器上作為結(jié)構(gòu)材料，主要在歐洲和北美進(jìn)行應(yīng)用。然后，人們提高了對碳纖維的認(rèn)識，開始把它當(dāng)成一種高質(zhì)量的材料，并在20世紀(jì)80年代中期得到了飛速的增長 在80年代中期，歐洲空客公司開始將CFRP(碳纖維增強(qiáng)塑料)作為要的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用在它們的飛機(jī)上，而且，隨著碳纖維在網(wǎng)球和新的體育項目的應(yīng)用，碳纖維市場得到了穩(wěn)步的擴(kuò)展。
2.我國碳纖維研究歷史
我國較早地意識到碳纖維的研制和生產(chǎn)對軍事工業(yè)發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)具有重要作用，早在20世紀(jì)60年代末就開始研制碳纖維，經(jīng)過40余年的發(fā)展，碳纖維從無到有，從研制到生產(chǎn)取得了一定的成績，但總的來說，國內(nèi)碳纖維的研制與生產(chǎn)水平還較低，一直沒有在高標(biāo)號碳纖維研究上取得突破性進(jìn)展。我國碳纖維產(chǎn)業(yè)未實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)、產(chǎn)品規(guī)格單一。碳纖維的生產(chǎn)屬于精細(xì)炭素工業(yè) ，在生產(chǎn)過程中，單體 、聚合、紡絲、油劑、預(yù)氧化、炭化及表面處理等工序環(huán)環(huán)緊扣，是一個多學(xué)科、多交叉的系統(tǒng)工程。國內(nèi)先后有多家企業(yè)介入碳纖維的研發(fā)與生產(chǎn)，但多數(shù)均以失敗告終，退出該領(lǐng)域。
近些年來，由于我國對碳纖維需求量的日益增加，碳纖維又成為國內(nèi)新材料業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。但是，除極個別企業(yè)外，大多數(shù)引進(jìn)項目的技術(shù)和設(shè)備水平屬國際中下等，生產(chǎn)的碳纖維產(chǎn)品也未達(dá)到高端水平，引進(jìn)后的消化、吸收與創(chuàng)新是碳纖維行業(yè)面臨的重大課題。如甘肅地區(qū)的腈綸生產(chǎn)線是我國早引進(jìn)的，有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗和技術(shù)積累，但是生產(chǎn)的原絲質(zhì)量不高，與工藝相似的Courtaulds 公司相比，質(zhì)量相差很大。我國碳纖維產(chǎn)品應(yīng)用主要依賴進(jìn)口，制約了相關(guān)高技術(shù)的發(fā)展。我國碳纖維的主要用途包括體育器材、一般工業(yè)應(yīng)用、航天航空和國防領(lǐng)域。其中體育器材用量大，約占總消費(fèi)量的 80％-90％。造成這種消費(fèi)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的主要原因是韓國和我國臺灣地區(qū)把體育器材產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移到我國大陸沿海地區(qū)，提高了體育器材領(lǐng)域聚丙烯腈基碳纖維的用量。我國一般工業(yè)和航空航天領(lǐng)域碳纖維的應(yīng)用尚有待于擴(kuò)大，我國國防產(chǎn)品用聚丙烯腈基碳纖維主要是規(guī)格為1K、3K、6K的相當(dāng)于 T300的產(chǎn)品。由于國外對我國實行產(chǎn)品和技術(shù)封鎖，我國國防用聚丙烯腈基碳纖維主要來自于科研院所 (如東華大學(xué)、中科院山西煤化所 )及企業(yè)試驗設(shè)備所生產(chǎn)的少量產(chǎn)品，質(zhì)量不是太穩(wěn)定。
三、碳纖維的產(chǎn)需情況分析
1.1995-2010年期間碳纖維產(chǎn)需情況
據(jù)統(tǒng)計，1995年，碳纖維的產(chǎn)量為14500噸，1998年碳纖維產(chǎn)量為17000噸，消耗為16900噸，供應(yīng)略大于需求。2003年碳纖維產(chǎn)量為19900噸，消耗為19900噸，供求基本平衡。到2005年起碳纖維市場出現(xiàn)了前所未有的緊俏形勢，價格猛漲。2005年年底，產(chǎn)量增至21000噸，據(jù)預(yù)測，到2008年，碳纖維的消耗量將達(dá)到30900噸，碳纖維將出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。為此也迎來了碳纖維廠家開始分階段擴(kuò)大產(chǎn)能，以不失時機(jī)地謀求更大的利潤。 而到了2010年期間，預(yù)計碳纖維的消耗量將達(dá)到45000噸。也就是說，年增長率達(dá)到10-12%。據(jù)悉，亞洲為西格里集團(tuán)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)，而則是其亞洲計劃的重要組成部分。下表1為1996-2002年碳纖維的主要生產(chǎn)商和生產(chǎn)能力回顧。
表1 1996~2002年碳纖維生產(chǎn)能力回顧 類別生產(chǎn)單位商品名生產(chǎn)能力（噸/年） 1996年 2002年 小絲束ST 日本東麗（TORAY） Torayca 3600 7300 日本東邦（TOHO） Besfight 3020 5600 日本三菱（M。R。C） Pyrofil 1900 4700 美國赫克塞爾（HEXCEL） Hercules 1715 2000 美國阿莫科（AMOCO） 1210 1800 臺灣臺塑 620 1755 其它 - 45 合計 - 23200 大絲束LT 美國 AKZO福塔菲爾 Fortafil 2270 3465 美國卓爾泰克（ZOLTEX） - 1800 德國愛斯奇愛爾（SGL） - 100 RK?/FONT>carbon 1800 美國阿爾迪拉（ALDILA） - 1000 東麗 - 300 合計 - 8465 總計 14335 31665 據(jù)悉，美國1998年生產(chǎn)碳纖維7300 噸/年，2003年降低到6800 噸/年，2008年則回升到 8300噸/年。1998、2003和2008年的碳纖維消耗的統(tǒng)計與預(yù)測相應(yīng)為7200、6600和9500噸/年。可見在1998-2003年期間，美國碳纖維的生產(chǎn)和消耗都回落。而2003~2008年期間碳纖維的生產(chǎn)和消耗則都有較大的增長。而日本1998、2003和 2005年碳纖維的生產(chǎn)量為 6700、9000和9300 噸/年，而消耗則分別為2900、2800和3400 噸/年，生產(chǎn)都遠(yuǎn)大于消耗。對日本來說碳纖維一直是供過于求的。日本按應(yīng)用領(lǐng)域主要是體育休閑用品，其次是工業(yè)應(yīng)用，航空航天占第三位。
值得一提的是，由于日本東麗（Toray）工業(yè)公司看好碳纖維的發(fā)展前景，該公司前不久打算花550億日元進(jìn)行碳纖維擴(kuò)能，到2008年年底將增加日本、美國和法國的TORAYCA碳纖維生產(chǎn)能力，以滿足需求增長。其聚丙烯腈基(PAN)碳纖維總生產(chǎn)能力將達(dá)到17900噸/年，目前產(chǎn)能13900噸/年，這種材料主要用在飛機(jī)方面。在日本愛媛縣，公司將新建一套400噸/年碳纖維裝置，到2008年1月使該基地能力提高到7300噸/年；到2008年12月，使位于美國亞拉巴馬的東麗碳纖維美洲公司生產(chǎn)能力從3600噸/年增加到5400噸/年；到2007年8月，在法國Abidos的碳纖維合資公司的生產(chǎn)能力將從2600噸/年增加到了3400噸/年，到2008年12月，增加到5200噸/年。它還打算到2009年1月，在石川縣建成一套產(chǎn)能580萬平方米/年預(yù)浸料坯--用樹脂浸漬的碳纖維片材。東麗打算進(jìn)一步增加碳纖維的生產(chǎn)能力，到2010年增加到2400噸/年。該公司還希望把在上的銷售比例從目前的34%增加到40%。
另外，還有三菱人造絲集團(tuán)除在美國的Grafil公司增設(shè)生產(chǎn)線外，在歐洲還委托大絲束碳纖維廠家SGL的OEM（英國RK）生產(chǎn)小絲束碳纖維，此外從2007-2008年預(yù)定將增設(shè)2個系列的2000噸/年生產(chǎn)線。至此，日本3家公司在美、日、歐均有生產(chǎn)據(jù)點(diǎn)。
2.我國碳纖維生產(chǎn)與消費(fèi)分析
2.1我國碳纖維的生產(chǎn)情況
據(jù)悉，近年來國內(nèi)碳纖維以科研院校研究為主，有關(guān)生產(chǎn)廠家也在考慮抓住這次難得的歷史機(jī)遇，開始投入中試或小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。如安徽華皖碳纖維公司，該公司引進(jìn)全部原絲和碳纖維工藝技術(shù)軟件和硬件，2003年開始建設(shè)，一期規(guī)劃500噸原絲、200噸T-300PAN碳纖維。揚(yáng)州匯通碳纖維公司采用國產(chǎn)技術(shù)新建100噸原絲、40噸T-300PAN碳纖維，山東威海光威集團(tuán)在目前的基礎(chǔ)上計劃新建2500噸原絲、1000噸碳纖維生產(chǎn)線等等。2006-2007年期間，國內(nèi)還有幾個具有經(jīng)濟(jì)實力的公司打算今后上碳纖維項目，現(xiàn)在正在調(diào)研之中，還沒有完全確定下來具體建設(shè)的時間和地點(diǎn)。未來幾年，的碳纖維產(chǎn)能一定會得到提升，但是必須在技術(shù)創(chuàng)新提升的基礎(chǔ)上擴(kuò)大產(chǎn)能才為明智。
2.2我國碳纖維的消費(fèi)情況
2002年我國聚丙烯腈基碳纖維總消費(fèi)量約為2235噸，2004年國內(nèi)碳纖維使用量已近3000余噸，且近年來的上升速率達(dá)10％-15％，然而其中 95％依賴進(jìn)口。由于我國碳纖維沒能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，工業(yè)及民用領(lǐng)域的需求長期依賴進(jìn)口，嚴(yán)重影響了我國高技術(shù)的發(fā)展，尤其制約了航空航天及國防軍工事業(yè)的發(fā)展，與我國的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展進(jìn)程極不相稱。所以，研制生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的碳纖維，滿足軍工和民用產(chǎn)品的需求，扭轉(zhuǎn)大量進(jìn)口的局面 ，是當(dāng)前我國碳纖維工業(yè)發(fā)展的迫切任務(wù)。 [-page-]
四、碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域
1.航空航天
碳纖維及其樹脂復(fù)合材料的突襲優(yōu)點(diǎn)是高比強(qiáng)和高比模量。其強(qiáng)度重量比就比鋼和鋁合金高2~3倍，因此先用于航天航空方面作為結(jié)構(gòu)材料，以提高飛行器的性能及有效載荷。如：航天軍用飛機(jī)，火箭、洲際導(dǎo)彈等眾多軍用以及太陽能電池板，人造衛(wèi)星構(gòu)造體，宇宙飛船的翼面板和支持構(gòu)造件，太空望遠(yuǎn)鏡。航空以客機(jī)和軍用機(jī)為主要應(yīng)用對象。碳纖維在飛機(jī)上的比例已從原來的10%~20%上升至50%~80%。一架波音777客機(jī)碳纖維的耗用量達(dá)到5噸。歐洲空中客車公司計劃于2008年新一代波音飛機(jī)，每架用35t碳纖維。纖維復(fù)合材料占46%時，其他材料分別為鋁合金占35%，鈦合金占9%，鋼占6%。火箭發(fā)動機(jī)的絕熱殼體代材料采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料，第二代為芳綸復(fù)合材料，第三代為高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料。發(fā)動機(jī)碰管的喉部要承受高達(dá)3500K左右的高溫，碳/碳復(fù)合材料能耐1800℃以上的高溫，有良好的耐燒蝕性能和抗熱震能力，比強(qiáng)高、熱膨脹系數(shù)小，適合制作碰管的喉襯、導(dǎo)彈的再入端頭等。碳/碳復(fù)合材料增強(qiáng)骨架一般由碳纖維、多向編織物和針刺三維碳?xì)种瞥傻念A(yù)成型體。上海市紡織系列開發(fā)研制了采用聚丙烯腈預(yù)氧化纖維整體氈作碳/碳復(fù)合材料的增強(qiáng)骨架材料。已成功應(yīng)用在我國自行設(shè)計制造的人造衛(wèi)星發(fā)動機(jī)上。
2.體育和醫(yī)療用品
以高檔文體器材為例，如：高爾夫球桿、釣魚桿、滑雪板、賽艇、賽車等。1992年美國制成了碳纖維復(fù)合材料的高爾夫球桿，它比金屬桿輕30%~50%。碳纖維第二大市場則以日本、臺灣省和南韓為中心。上世紀(jì)90年代中期高爾夫球桿產(chǎn)品每年就生產(chǎn)500~700萬根，而CF網(wǎng)球拍和釣魚桿，僅臺灣省和南韓，1986年已突破500噸大關(guān)。近年來，這類產(chǎn)品釣魚桿、賽艇等的生產(chǎn)基地已逐漸移至沿海一帶，并已出口創(chuàng)匯。醫(yī)療器械包括假肢、人造骨骼、韌帶、關(guān)節(jié)及X光透視機(jī)等。
3.一般工業(yè)
碳纖維吸附材料在化學(xué)、冶金、石油、機(jī)械、紡織等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，主要用于"空氣凈化"、"三廢處理"、風(fēng)力發(fā)電、海洋石油開采和紡機(jī)配件劍桿織機(jī)等。如：美、日和我國正在開發(fā)的42-60mm長的大型風(fēng)力發(fā)電CFRP葉片，可降每度成本3美分。又如900mm以下的深海油田，只能用CFRP制品。碳纖維混沙紙等還可用于住所、溫室等取暖。
4.土工建材
碳纖維增強(qiáng)材料CFRC與鋼筋混凝土相比，抗張強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度高5-10倍，彎曲韌度和伸長應(yīng)變能力高20~30倍，重量卻只有其1/2，絕熱性好，可解決高層建筑的高精度防水（不會龜裂），象東京的37層示范大樓，使用400噸通用級瀝青碳纖維作為外裝材料后，使大樓外壁減輕60%，地震負(fù)荷減輕12%，并節(jié)省了4000噸鋼材，縮短了工期。日本五家建筑公司提出了"空中都市"的構(gòu)想，要建筑超出地面1000m以上的高層建筑。
碳纖維在建材中的第二個用途是用于制造層壓膠合板梁。美國的層壓膠合板制作者近采用從可再生資源的"新生長"林木材--碳纖維制成復(fù)合材料，商品名為Firp Glulam，為建筑上提供了一種更經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)更完美的建筑梁。Firp Glulam梁已在美國和日本實地安裝使用。個采用該技術(shù)的項目是1993年在美國達(dá)拉斯施工的Taylor湖橋，其跨度24。4m，梁寬17m，高14.2m.現(xiàn)在日本、美國和歐洲買主求購大型圓拱頂結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合梁。
碳纖維在建筑中的另一個較大的用途是用于建筑修復(fù)。日本（MCC）開發(fā)出采用碳纖維和環(huán)氧樹脂制成的預(yù)浸帶用于1995年日本阪神大地震后水泥梁住、隧道、橋梁、建筑物外墻裂縫的翻新修復(fù)。由于碳纖維材料比強(qiáng)度比鋼鐵高10倍，且不腐蝕、無磁性，易于現(xiàn)場吊裝和施工。CF片材修補(bǔ)受損建筑物的行業(yè)在日本、臺灣省十分好看，而美國打算將國內(nèi)所有的橋梁輪番用CF復(fù)合材料米加強(qiáng)。1997年日本國內(nèi)需求為1090噸，預(yù)計在這個領(lǐng)域中碳纖維耗用量將超過體育用品。
另外，碳纖維的主要用途及應(yīng)用形態(tài)與種類可見下表2。
表2 碳纖維的主要用途及應(yīng)用形態(tài)、種類 種類 用途有關(guān)產(chǎn)業(yè) 絲束 高溫隔熱材料（a）電子、汽車、飛機(jī)、原子能 復(fù) 合 材 料 C F R CF增強(qiáng)樹脂（CFRP）密封材料（a）化學(xué)、石油工業(yè)、石油、汽車 功能材料（滑動、導(dǎo)電、耐腐蝕材料等）（a、b）電子、電工、機(jī)械、宇航、飛機(jī)、化學(xué) CF增強(qiáng)碳（CFRC）結(jié)構(gòu)材料（重要較高模量的一次，二次結(jié)構(gòu)用才）（b）運(yùn)動器材、飛機(jī)、宇航、電工、醫(yī)療 燒蝕材料（a、b）宇航 CF增強(qiáng)金屬（CFRM） 摩擦材料（a、b）汽車、鐵道、飛機(jī)、機(jī)械 炭、石墨材料（a）鋼鐵、電工 CF增強(qiáng)水泥（CFRC） 有關(guān)電池的基材（a、b）電力、汽車 建筑、土木材料（a、b）船舶、住宅建設(shè)五、碳纖維的發(fā)展前景
預(yù)測到2008年碳纖維的消耗將大于生產(chǎn)，范圍內(nèi)碳纖維將面臨供不應(yīng)求。碳纖維在應(yīng)用領(lǐng)域上，工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域會持續(xù)增長，航空航天領(lǐng)域基本保持平衡，而體育閑用品在碳纖維應(yīng)用的比例將持續(xù)下降。
近年來，只有日本等個別碳纖維的生產(chǎn)遠(yuǎn)大于消耗，對日本本國來說，碳纖維一直是供過于求的。按應(yīng)用領(lǐng)域看，日本主要是體育休閑用品，其次是工業(yè)應(yīng)用，航空航天占第三位。而其他的碳纖維生產(chǎn)量卻是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于消耗，主要靠從日本、美國和歐洲進(jìn)口來解決消耗和生產(chǎn)間的差額。從應(yīng)用領(lǐng)域看，體育休閑用品都占位，工業(yè)應(yīng)用占第二位，航空航天是第三位。但值得指出的是，航空航天領(lǐng)域消耗碳纖維的比例卻在不斷上升，該領(lǐng)域從 l998年的2％ 增至 2003年的4％，而預(yù)測 2008年將猛增到 l2％。因此，碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景仍然是十分看好的