北京玻璃鋼研究設(shè)計院 張貴學(xué)
一、已成為CFRP體育休閑用品的制造中心
（一）在1971-1981年國際上已初步形成了CFRP體育休閑用品市場
1、釣魚桿
在70年代初出現(xiàn)了CFRP釣魚桿。現(xiàn)在碳纖維（CF）桿的產(chǎn)量為1200萬根／年左右，相當(dāng)消耗CF量約1160噸。其中輕量和高感度的魚桿的開發(fā)史，便是高模量聚丙烯睛（PAN）基CF應(yīng)用的歷史。
2、高爾夫球桿
CF在高爾夫球桿的應(yīng)用，始于1972年。美國Shespe公司用長絲纏繞法開發(fā)成功這種球抒。在同年的太平洋Clubmasters比賽中美國的G?Brewer采用Aldila公司所開發(fā)的CFRP球桿取得了優(yōu)勝，于是日本的黑桿（CF高爾夫球桿）突然活躍起來了。70年代后半期便形成了空前的黑桿熱。現(xiàn)在，黑桿的生產(chǎn)量為3017萬根／年左右，相當(dāng)消耗CF量約1750噸。
3、網(wǎng)球拍
1974年美國Chemold公司等開始開發(fā)CFRP球拍，次年在日本也開發(fā)成功。除了網(wǎng)球拍外，為了滿足強(qiáng)度和剛度的要求，一些高檔的羽毛球拍、小橡皮球拍等也都采用CF.目前這些拍子合起來的市場規(guī)模約4950萬只／年，相當(dāng)消耗CF量約550噸。
4、其它
在其它方面，CF還應(yīng)用于滑雪板、雪船、滑雪桿、棒球棒、公路賽車、山地自行車、小舟、舟山板、快艇（桅桿）、帆船等體育用品，但與上述的3大支柱相比，每一種規(guī)模都較小；
（二）在二十世紀(jì)八十年代我國CFRP體育休閑用品產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展
1、八十年代初期起步
我國在八十年代初開始研制CFRP體育運動器材。如哈爾濱玻璃鋼研究所研制的CFRP羽毛球拍，獲得1983年輕工部三等獎；中山大學(xué)與東莞玻璃鋼廠合作，于1987年研制成功碳纖維／玻璃纖維混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)四人皮艇。該艇的各項指標(biāo)均達(dá)到和部分超過當(dāng)時國際一流的丹麥皮艇。但在當(dāng)時，由于國產(chǎn)CF質(zhì)次價高，且產(chǎn)量很小，從國外進(jìn)口CF又受到“巴統(tǒng)”等限制，所以不可能大量生產(chǎn)該類運動器材。
2、八十年代中期臺灣、韓國的相關(guān)制品紛紛轉(zhuǎn)來大陸生產(chǎn)
八十年代中期，由于我國的改革開放政策和勞動力低廉等原因，臺灣逐步把勞動力密集，污染嚴(yán)重的CFRP體育器材制造業(yè)轉(zhuǎn)往大陸沿海地區(qū)。例如，臺灣80%的高爾夫球桿、40-50%的網(wǎng)球拍、羽毛球拍，60%以上的自行車架制造業(yè)轉(zhuǎn)移到深圳、東莞、福州和廈門等地；為了求生存、求發(fā)展，一些發(fā)達(dá)也把該種體育器材制造業(yè)轉(zhuǎn)來。例如，韓國把其大部分CFRP釣魚桿制造業(yè)轉(zhuǎn)來我國天津、威海和寧波等地。
3、八十年代末相關(guān)民族工業(yè)也得到了快速發(fā)展
2000年前后，國際CF市場出現(xiàn)了供過于求的局面。這種情況也為發(fā)展自己的CFRP體育休閑用品提供了良好機(jī)遇。
在上述背景下，一些國內(nèi)CFRP體育休閑用品企業(yè)得到了大的發(fā)展。例如，威海光威漁具集團(tuán)有限責(zé)任公司，它創(chuàng)建于1987年11月。目前該公司已發(fā)展成上品種全，產(chǎn)量高的釣具生產(chǎn)企業(yè)。公司下設(shè)16個生產(chǎn)工廠，3個中外合資企業(yè)。公司核心產(chǎn)品為CFRP釣魚桿、漁線輪和CF予浸布等。其中90%的釣魚桿和漁線輪產(chǎn)品出口國外；國內(nèi)一些為體育器材供應(yīng)CF予浸料的企業(yè)也在快速發(fā)展起來。例如浙江嘉興中寶碳纖維有限責(zé)任公司，它從瑞士引進(jìn)予浸機(jī)，予浸料年生產(chǎn)能力已達(dá)300萬平方米。
（三）的CFRP體育休閑用品產(chǎn)品已居位
據(jù)統(tǒng)計，2002年國產(chǎn)CFRP釣魚桿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車等已分別占到同類產(chǎn)品產(chǎn)量的60%、60%、75%、65%。這些CFRP體育休閑用品所消耗的CF量，約占當(dāng)年CF消耗總量的16%。然而，由于國際CFRP體育休閑用品已處于飽和狀態(tài)，今后這方面產(chǎn)品將基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)，年增長速度大體在1％左右。
二、結(jié)構(gòu)加固工程已成為CFRP產(chǎn)業(yè)新的增長點
（一）國際上二十世紀(jì)九十年代開始起步
1994年美國洛杉磯大地震和1995年日本神戶大地震給房屋與橋梁造成了極大破壞，用CFRP修復(fù)補強(qiáng)損壞了的建筑與橋梁結(jié)構(gòu)是國外采用的重要手段。美國聯(lián)邦高速公路局向美國國會報告，“截止1996年6月30日，根據(jù)報表統(tǒng)計，美國共有581862座橋梁，其中有缺陷、有問題的共計182726座，占31.4%a”亦即美國有31％以上橋梁需要維修補強(qiáng)，并認(rèn)為采用復(fù)合材料可以更有效的維修這些橋梁。與傳統(tǒng)的鋼材相比復(fù)合材料有很多優(yōu)點：復(fù)合材料密度低、強(qiáng)度高、耐蝕性好、抗疲勞和蠕變性能好、操作性能好等。英國有一個由貿(mào)易與工業(yè)部支持的計劃，該計劃研究結(jié)果表明：“用CFRP補強(qiáng)可大大增加橋梁和建筑的抗震和抗裂能力。”
（二）緊跟其后
我國從1997年開始從國外引入CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，并開始進(jìn)行相關(guān)研究，由于其巨大的技術(shù)優(yōu)勢，在短短的時間內(nèi)很快形成研究和工程應(yīng)用的熱點。目前國內(nèi)已有工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心、清華大學(xué)、東南大學(xué)、天津大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京化工大學(xué)、建筑科學(xué)研究院等數(shù) 十個高校和科研院所先后開展了CF加固建筑結(jié)構(gòu)的研究，已完成多項研究課顆，發(fā)表研究論文100多篇。在材料開發(fā)、加固土木建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)和設(shè)計計算理論等方面，取得一批接近國際先進(jìn)水平的研究成果。
“十五”期間，為了進(jìn)一步推動復(fù)合材料加固結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，還專門設(shè)立了相關(guān)課題。課題研究主要在兩個方面展開，先是進(jìn)行關(guān)鍵材料開發(fā)，即通過材料改性技術(shù)研究克服單一纖維復(fù)合材料弱點，滿足現(xiàn)代土木工程對新型建筑材料高性能（高強(qiáng)、高模、高耐久性及良好的韌性）、低成本及良好的環(huán)境親和性要求；另一方面就是進(jìn)行關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究，涉及結(jié)構(gòu)加固補強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)，新結(jié)構(gòu)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)及材料檢測評價技術(shù)研究等。
（三）已完成復(fù)合材料（主要是CFRP）加固工程幾百項
由于我國具有上為巨大的土木建筑市場，CFRP加固建筑結(jié)構(gòu)工作將呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。如2001年用于結(jié)構(gòu)加固的CF量僅12噸，2003年就達(dá)到140噸，2004年將達(dá)230噸，2010年將躍升至850噸。
三、能源需求將為CFRP產(chǎn)業(yè)提供巨大商機(jī)
（一）CFRP抽油桿已在我國油田正式應(yīng)用
隨著地球上油田進(jìn)行三期開采期，打的油井越來越深，為了提高開采效率，上許多都在探索采用CFRP抽油桿。在油田深井使用CFRP抽油桿具有明顯優(yōu)勢：先，該抽油桿只是同類鋼桿重量的1/8-1/10，甚至更輕；其次，采用CFRP抽油桿時地面裝備顯著減少，如可降低抽油機(jī)機(jī)型，節(jié)約地面設(shè)備投資5-8萬元；節(jié)能效果顯著，以2500米泵掛為例，使用CF抽油桿，每口井每年可節(jié)省電費4-5萬元。采用CFRP抽油桿是抽油桿的一次革命。目前CFRP抽油桿比同類鋼桿價格貴一倍，隨著用量增加，價格將下降。我國各油田正在使用的金屬抽油桿超過1億米，其中每年更新或新增2600萬米。據(jù)北京化工大學(xué)預(yù)測，至2008年可能有8%-10%更新或新增的油桿用CFRP桿取代，則為200-260萬米，CF用量為1.6噸／萬米，共需CF320-420噸。至2010年如果按巧％的取代量計算，則CF消耗量達(dá)624噸。以勝利油田為例從更長遠(yuǎn)看，該油田大約有2.1萬11油井，其中泵掛1500-3000米深井有7000-8000口、據(jù)測算，一目保升可消耗GF達(dá)半噸。僅勝利油田一處，如深井全部采用CFRP抽油桿，則年消耗CF量消耗量之大是可以想象的。目前國內(nèi)已有三家生產(chǎn)CFRP抽油桿的企業(yè)，共有12條生產(chǎn)線二此外，還有的企業(yè)正在研制CFRP抽油桿，并積極準(zhǔn)備建設(shè)。
（二）風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造業(yè)將得到快速發(fā)展
1、在葉片關(guān)鍵部位采用CFRP是必由之路
可再生能源是當(dāng)今上十分重視開發(fā)的能源、包拈太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿取⑵渲酗L(fēng)能的開發(fā)利用已形成規(guī)模，特另IJ jz風(fēng)力發(fā)電在許多已得到了大規(guī)模利用：：德國是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展快的，平均單機(jī)容量1997年為600千瓦，1998年為700千瓦，1999年為800千瓦，2000年為1115千瓦。德國在2000年共安裝了1496臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中大部分是兆瓦以上的風(fēng)力機(jī)。隨著風(fēng)力發(fā)電單機(jī)功率的增長，葉片的長度也在不斷增長。例如，百千瓦級（660千瓦）風(fēng)機(jī)葉片長約21米，1兆瓦門000千瓦）級葉片長約30米，2兆瓦級葉片長約40米一目前上大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率為5兆瓦，其葉片長約50術(shù)。這些葉片安裝在30米以上高空。葉片越重則引起變形越大。變行大到一定程度，則無法維持風(fēng)機(jī)正常工作。為了減少葉片變形，在主承力件如軸和葉片某些部位則需采用CF補剛度。
2、我國CFRP風(fēng)機(jī)葉片的應(yīng)用前景光明
可再生能源―風(fēng)力發(fā)電，在我國具有很好的前景。據(jù)專家測試，我國大陸加上海上風(fēng)力資源大約有10億千瓦二發(fā)改委規(guī)劃在2020年我國風(fēng)力發(fā)電量要達(dá)到2000萬千瓦。為了促進(jìn)我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，即將出臺相關(guān)政策，并正在立法所有這些舉措都將促進(jìn)CFRP風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造業(yè)的發(fā)展。
（三）CFRP壓縮天然氣瓶將得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用
從環(huán)保觀點看，用天然氣代替汽油用于汽車將越來越廣泛。據(jù)日本瓦斯協(xié)會報導(dǎo)，2000年日本使用壓縮天然氣的汽車已達(dá)2萬輛，而美國則達(dá)到100萬輛美國加州已制定法律規(guī)定于1997年前CNG汽車必須達(dá)到25％，其它州如德克薩斯州等也制定相應(yīng)法律，強(qiáng)制逐年提高CNG汽車的使用數(shù)量。
國內(nèi)現(xiàn)有CNG汽車約5萬輛這些車主要集中在四川省和重慶市：北京目前也有CNG公交巴士和出租車約2000多輛。CNG汽車不僅有利于環(huán)保，而且由于我國是貧油富氣，燒氣比燒油價格便宜約1/3，因此發(fā)展CNG汽車將有美好的市場前景。據(jù)預(yù)測，到2008年我國擁有的CNG汽車數(shù)量將達(dá)14萬輛，屆時將年需CNG氣瓶約70余萬只。CFRF CNG氣瓶的大量推廣應(yīng)用，關(guān)鍵是價格問題。今后在這方面的研究工作要緊緊圍繞降低成本這個中心來進(jìn)行。
四、新型節(jié)能型環(huán)保型汽車將成為CFRP大的潛在用戶
目前德國寶馬公司率先在開發(fā)和試驗高強(qiáng)度輕量化的CFRP車體板和其它部件，所用CF與Zoltek公司生產(chǎn)的大絲束產(chǎn)品。目標(biāo)是在未來5年內(nèi)生產(chǎn)出CFRP制系列汽車，以改進(jìn)其安全性，節(jié)能性并減少有害氣體排放量。Zoltek公司總裁確信在未來10年內(nèi)CF將引起汽車工業(yè)的革命性變革；英國Cranfield大學(xué)受政府贊助的研究成果也表明，目前每年生產(chǎn)2萬輛的 CFRP汽車是可能的。這種輕量化的CFRP汽車將改進(jìn)其燃料效率，而剛性比鋼制部件要高，在風(fēng)力下具有良好的穩(wěn)定性，這一點對賽車和運動車而言更為重要。目前已研制出的汽車長4.3 m、寬1.7m,高1.4m，質(zhì)量只有570kg; 2000型奔馳的車門已采用鋁模具制CFRP（RTM技術(shù)），在CFRP中CF含量高達(dá)60% 。每年只生產(chǎn)1000件，原因是價格問題，美國自90年代后期因?qū)Νh(huán)保問題越來越重視CF在未來車輛中的應(yīng)用。1994年美國政府和工業(yè)部門開始出臺聯(lián)合開發(fā)先進(jìn)車輛技術(shù)的計劃（PNGV）。目標(biāo)是改進(jìn)車輛的效能，降低污染物的排放并滿足用戶的各種需求。其中一個目標(biāo)是到2004年所生產(chǎn)的中型汽t4. A.lh（甜響叮）BTU當(dāng)量。為此，今后要加速CFRP加工技術(shù)的開發(fā)并降低現(xiàn)有CF價格，才能滿足2004年P(guān)NGV 的目標(biāo)。為了實現(xiàn)2010年的PNGV的技術(shù)研究計劃，即達(dá)到42.5km/ 1（1 OOmpg)BTU。現(xiàn)DOE與ACC公司正合作開發(fā)低成本的CF，包括開發(fā)非傳統(tǒng)的原絲，新型的CF生產(chǎn)方法等。專家預(yù)測，未來環(huán)保型汽車每年所消耗的CF量將以萬噸計。
2010年我國汽車產(chǎn)量將突破年產(chǎn)1千萬輛大關(guān)。新型節(jié)能型環(huán)保型汽車是未來汽車發(fā)展方 向。為了和國際接軌，我國將來也必定要大量制造這類汽車，屆時汽車工業(yè)將成為我國CFRP的巨大市場。
五、眾多CFRP高新技術(shù)產(chǎn)品已不斷進(jìn)入市場
目前這些產(chǎn)品（見下頁表）盡管種類繁多，但數(shù)量不大，主要原因有三：其一，價格較高。這是影響CFRP產(chǎn)品推廣應(yīng)用的主要原因。例如，一個50升鋼襯玻璃鋼CNG氣瓶價格僅1800元／只，而同容積的鋁內(nèi)襯CFRP氣瓶，其價格卻高達(dá)5000元／只以上；其二，質(zhì)量不穩(wěn)定。例如，CF電熱板的功率密度（功率數(shù)／平方米）不夠穩(wěn)定，超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定誤差。主要原因是作為電熱原件的碳纖維紙質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)；其三，產(chǎn)品開發(fā)跟不上市場需要。例如，在煤礦開采作業(yè)區(qū)，瓦斯在靜電作用下易發(fā)生爆炸，造成嚴(yán)重事故。在煤礦采用的聚氯乙揭通風(fēng)管中加入一定量CF可得到抗靜點制品，防靜電效果很好。但在我國，這種管道還沒在煤礦區(qū)得到很好地應(yīng)用。
CFRP應(yīng)用是和高新技術(shù)相聯(lián)系的。我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的發(fā)展速度有目共睹，“制造”已風(fēng)靡，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展。隨著產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品技術(shù)升級，對CFRP的需求量將不斷增加。由于我國幅員遼闊，產(chǎn)業(yè)門類齊全，社會穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展速度高，工資水平低，東西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展差距大，過就決是禽國必然成為CFRP的巨大市場，而且可以長久保持。
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