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摘 要：據(jù)報道，碳纖維市場將由2012年的4.1萬t發(fā)展至2020年的14萬t，其中一般產(chǎn)業(yè)用途約占11萬t以上。鑒于此，一些的碳纖維生產(chǎn)商進一步擴大產(chǎn)能，如東麗計劃將碳纖維產(chǎn)能從2013年的2.11萬t提高至2015年的2.71萬t和2020年的5萬t。除了主要碳纖維生產(chǎn)商的新發(fā)展動態(tài)，本文還論述了碳纖維及其復(fù)合材料在新一代飛機、風(fēng)力發(fā)電葉片、土木建筑、高壓容器、電子產(chǎn)業(yè)等市場的應(yīng)用近況和發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：碳纖維；復(fù)合材料；應(yīng)用領(lǐng)域；市場前景
目前聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）開始邁入快速發(fā)展而激烈競爭的時代。根據(jù)預(yù)測，碳纖維市場需求將由2012年的4.1萬t左右發(fā)展到2020年的約14萬t，其中增長快的是產(chǎn)業(yè)用途，預(yù)計2020年比2012年將增長 4 倍以上，即11萬t以上。新一代飛機、大型風(fēng)電葉片、土木建筑材料、高壓容器、海洋工程和電子產(chǎn)業(yè)等是新市場的主力軍，而2015年后汽車及軌道交通等將逐步成長為大型市場。
表 2 為2005 ― 2012年一季度日本三大碳纖維公司的銷售額及盈利情況，其中2013年三菱麗陽下滑嚴重，為此自2012年秋至今大規(guī)模收購海內(nèi)外預(yù)浸料及復(fù)合材料制品等下游企業(yè)，形成從丙烯腈原料至復(fù)合材料制品的完整產(chǎn)業(yè)鏈，以提高市場競爭力和擴大應(yīng)用領(lǐng)域。
2020年，東麗的產(chǎn)能將達到 5 萬t/a，而ZOLTEK則為3.95萬t/a。預(yù)計2013年底，我國碳纖維生產(chǎn)廠將達到33家左右，產(chǎn)能從20 ～ 6 000 t/a不等，總設(shè)計產(chǎn)能約22 500 t/a，但2012年據(jù)統(tǒng)計總產(chǎn)量僅為2 400 t左右。由于國外公司向我國輸出的碳纖維售價低于我國企業(yè)的生產(chǎn)成本，因此除 4 ～5 家供應(yīng)軍工的企業(yè)外全部虧損。
2.2 風(fēng)能和潮能
根據(jù)風(fēng)能協(xié)會的統(tǒng)計，2011年新設(shè)的風(fēng)電能力為42 GW，比2010年增長20%，其中美國增長28%，而英國目前正在運行的風(fēng)電裝置有4 510個，將再建1 183個，德國2012年和2013年預(yù)計各增長1 415和3 200 MW裝機容量。我國2011年風(fēng)電的發(fā)電量僅占總電力生產(chǎn)的1%，計劃到2050年將增至17%。
目前重點發(fā)展近海風(fēng)電場，據(jù)報道英國到2020年洋上風(fēng)電將新增29 GW。圖 9 所示為英國威爾士North Hoyle正在運行的Vesta V80-2.0MW洋上風(fēng)電場。
今后將朝著深海浮動式風(fēng)電裝置發(fā)展。圖10和11分別為美國緬因大學(xué)先進結(jié)構(gòu)與復(fù)材中心所研發(fā)的高20 m、葉片直徑達130 m的 6 MW浮動式洋上風(fēng)電裝置的水下和水上圖。
據(jù)悉，到2013年，僅緬因州80 km長的海岸線上就將擁有156 GW的洋上風(fēng)電產(chǎn)能，到2030年還將部署 5 GW的新裝置，并吸引2 000萬美元的私人投資，創(chuàng)造數(shù)千人就業(yè)。
西門子是大的洋上風(fēng)電葉片生產(chǎn)商，目前約占 7 成的市場份額，其每臺 6 MW的大型設(shè)備已實用化，其葉片皆采用碳纖維增強塑料（CFRP）。
潮力發(fā)電是今后的重要發(fā)展趨勢和CFRP的新市場，其能量轉(zhuǎn)變效率為40%以上，而一般風(fēng)電為20% ～ 25%。2008年北愛爾蘭率先研發(fā)并投產(chǎn)1.2 MW的潮力發(fā)電設(shè)備，如圖12所示，到2015年在英國威爾士將設(shè)置 5 臺 2 MW的裝置。
2.3 土木建筑
CFRP用于建筑結(jié)構(gòu)物的代鋼筋材料和補強材料，不僅可提高抗震能力，還可起到電磁波屏蔽作用，這對軍事設(shè)施是很重要的。
據(jù)報道，目前和今后較長時期內(nèi)，都將處于第五期地震活躍期。據(jù)我國地震局的報告，我國可能發(fā)生 7級以上大地震的省會城市多達22個，可能發(fā)生7.5級以上特大地震的省會城市16個，因此碳纖維片材、CFRP板材和代鋼筋材料的需求量將逐年遞增。2012年我國碳纖維補強材料的需求量已超過1 000 t。
需要引起注意的是，我國補強用碳纖維的標(biāo)準是采用T700級PAN-CF，這是不科學(xué)的，應(yīng)該根據(jù)不同部位的要求選用不同質(zhì)量和性能指標(biāo)的PAN-CF，如表 4 所示。 由于車輛大增，許多原設(shè)計的橋梁底床逐漸發(fā)生疲勞劣化，有些隧道發(fā)生裂口而剝落，許多橋梁的橋墩已老化，一些高速公路的重要路面和飛機場跑道為防止因地震而發(fā)生龜裂都需要進行補強，僅日本每年的PAN-CF用量就多達90萬m2。
碳纖維補強材料的施工方法主要包括：①東麗碳纖維片材（圖13）或CFRP施工法，圖14為防止橋底的鋼筋凹陷和提高耐疲勞性的施工圖；②東麗碳纖維層壓材料（圖15）施工法，圖16為其煙囪耐震補強圖；③S-層壓材料施工法，主要用于鋼板表面通過環(huán)氧樹脂粘合劑的碳纖維補強法；④SR-CF施工法，這是清水建設(shè)公司所開發(fā)的方法，如圖17所示，采用碳纖維地腳螺栓（圖18）錨固。
帝人公司利用2012年12月建成的CFRTP（碳纖維增強熱塑性塑料）中試廠，與GM（通用汽車）等汽車公司合作，提供可“一分鐘成型”的技術(shù)與汽車結(jié)構(gòu)部件等，目標(biāo)是2015年應(yīng)用于月產(chǎn) 1 萬輛的車種上，以期到2020年達到1 500億 ～2 000億日元的銷售額。
東麗通過參股歐洲的ACE、Diamler（EACC）和美國PCC汽車公司，收購泰國童夢復(fù)合材料（泰國）公司（賽車廠），在深圳投資 2 億日元成立東麗塑料（深圳）有限公司（TPSZ），新建2 500 t/a的CFRTP母粒廠，擴大CFRP汽車部件生產(chǎn)，以及與美國三大頂級汽車公司通用、福特和克萊斯勒等合作開發(fā)CFRP汽車部件，大力開拓歐亞太地區(qū)的汽車市場。
水菱塑料公司近開發(fā)了碳纖維增強聚丙烯（CFRPP）汽車擋泥板，其剛性比以往的防撞器材可高出 5 倍以上。
東洋塑料精工公司開發(fā)了碳纖維增強尼龍和PPS汽車部件系列產(chǎn)品（圖 22），進一步擴大了在汽車、飛機和電子等方面的應(yīng)用。
Axon汽車公司利用東麗的碳纖維開發(fā)了全CFRP汽車，比普通車減重50%以上。其一次結(jié)構(gòu)材料采用3D碳纖維織物與聚乙烯（PE）泡沫塑料通過VARTM成型技術(shù)制成。
Motorsport公司生產(chǎn)了用碳纖維和Kevlar？（對位芳香族聚酰胺纖維）織物混合增強丙烯酸尿烷酯的賽車（圖23）部件（圖24），使車體減重56 kg，獲得了2013歐洲Rallycross錦標(biāo)賽冠軍。
2.5 高壓容器
由于北美和英國的油頁巖氣突然興旺，作為壓縮天然氣罐和天然氣汽車燃料瓶的需求不斷擴大，推動了碳纖維纏繞氣瓶需求的猛增。為此三菱麗陽率先改造其在美國的碳纖維生產(chǎn)線，改產(chǎn)強度和模量兼優(yōu)的小絲束PAN-CF，滿足該需求。
圖26為PAN-CF纏繞氣瓶的生產(chǎn)圖，圖27為該氣瓶的內(nèi)部剖面圖，而圖28為裝有該天然氣瓶的英國新能源公共汽車。
碳纖維及其復(fù)合材料可謂朝陽產(chǎn)業(yè)，但競爭異常激烈。目前，我國的PAN-CF生產(chǎn)廠家正處于“百花齊放”的初級產(chǎn)業(yè)化階段，所采用的技術(shù)路線也多種多樣。今后 5 年將是我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時期，預(yù)計這一時期內(nèi)我國PAN-CF部分廠家將出現(xiàn)停產(chǎn)、兼并、聯(lián)合、優(yōu)勝劣汰及上、下游產(chǎn)業(yè)聯(lián)手合作的局面，但仍會保留10 ～ 20家能維持生產(chǎn)的企業(yè)。相信目前較為艱難的處境終將過去，前景光明。
