對碳纖維及其復合材料產業鏈發展現狀的反思――1

摘　要：簡介了國際碳纖維及其復合材料的新發展概況，并對從聚丙烯腈到碳纖維復合材料整個產業鏈和各關鍵鏈段的發展現狀做了分析和反思。提出并論述了以下觀點：要以系統論的思想發展碳纖維及其復合材料產業鏈；需從復合材料系統性降低成本來實現低成本化；深入了解與借鑒國際碳纖維行業的發展經驗，調整我們的發展理念與方向；充分整合國際優質資源，建立較高水平的技術裝備平臺；轉變觀念，提升產學研的合作效益；借鑒國外成功經驗，加強我國復合材料共享數據庫建設；強化行業宏觀管理，強力推進整個產業鏈的突破。后提出創建碳纖維及其復合材料產業鏈聯合會建議。
關鍵詞：碳纖維；碳纖維復合材料；產業鏈；發展現狀；反思；產業鏈聯合會

前　言
　　作者繼2010年發表了“掌握前沿創新理念科學發展―碳纖維及其復合材料發展之我見”一文后，將再次以此命題針對低水平重復發展中的碳纖維及其復合材料產業鏈現狀展開反思，分析并提出了一些想法和觀點，旨在拋磚引玉，吸引業界官、產、學、研、用更多的關注、思考和作為，及時作出有針對性的調整和有實效的變革舉措，確保這個新興的高新技術產業能科學、理性、健康和領銜發展，并實現對國民經濟諸多重要領域和行業的轉型升級、節能減排和創新高效的引領和推進作用。

1　國際碳纖維及其復合材料的發展現狀

1.1　碳纖維及其應用市場
　　近幾年，大量投資涌入碳纖維領域，8大公司完成了新一輪的擴產；土耳其AKSA異軍突起；韓國的Taekwang、Hyosung等紛紛進入碳纖維領域；印度Kemrock進入碳纖維；沙特Sabic宣布與意大利Monte合作，在西班牙和沙特建設碳纖維生產線；我國也有大量的企業紛至碳纖維領域。
　　碳纖維復合材料的應用開發進展主要突出表現在汽車和風電葉片兩個方面。
　　(1)寶馬汽車入股SGL，推出了款大量采用碳纖維復合材料的商用車Megacity；同時，美國與日本的多家汽車公司宣布了與碳纖維公司的合作，共同打造碳纖維復合材料汽車零件，圖1是東麗對碳纖維在汽車領域的應用做出的估計。

　　(2)Zoltek多年來致力于推廣低成本大絲束碳纖維，為風電葉片領域總共供應了大約20000 t大絲束碳纖維。隨著風電葉片長度的增加，國內已經有企業開始嘗試使用碳纖維預浸料，開發風電葉片的支撐梁。鑒于對風電與汽車使用碳纖維復合材料的信心，Zoltek對碳纖維未來幾年的需求增長信心十足(見圖2)。

　　不過對于碳纖維未來市場預測，國內外向來分歧較大。國內樂觀派認為，  “今后5年內碳纖維產品需求會產生爆發性增長，市場需求量將超過3萬t／a，未來甚至可達數十萬噸／年”，  “僅電力輸送就需10萬t／a以上”，“復合材料火車車廂也需要10萬t／a”，紡織機械也要上萬噸／年……
　　但我們認為：自日本碳纖維1970年代進入市場，歷經40余年，市場也只4萬t／a左右規模，目前看不出有井噴式發展趨勢。其原因主要是碳纖維“貴”，不可能像玻璃纖維那樣廣泛應用，除非其所用原料大幅降價，或出現革命性的新工藝和新技術，而目前現實是原料不斷漲價，也未看到嶄新技術出現的苗頭。由于丙烯腈價格在不斷上漲，碳纖維成本也隨之上升，制約了碳纖維復合材料的大面積使用。Zoltek預計2017年碳纖維需求將達425kt／a的預測誤差過大。實際上，近年來金融危機和債務危機不斷，經濟形勢不好，使碳纖維消費量處于停滯甚至下滑狀態，例如，2009年因金融危機，碳纖維銷售量從2008年的4.2萬t下降到3.7萬t，2010年銷量有所回升，但2012年受歐債危機影響預計又將有所下降。
1.2　預浸料發展方向
　　全著名的預浸料公司是Toray、  Hexcel、Cytec、Gurit、ACG(2012年已被Cytec收購)和TenCate。這些公司的碳纖維預浸料產品在近幾年呈現了新的預浸發展趨勢。
　　(1)大絲束碳纖維預浸料在工業領域的優勢凸顯。單向碳纖維預浸料面密度高達600g／m2，這類厚重的預浸料大大提升了預浸和后續鋪放工藝的效率。在風電葉片與汽車領域有廣泛的應用。
　　(2)非熱壓罐工藝(OOA，Out of Autoclave)的預浸料大力發展。此成型工藝大大降低了預浸料后續固化成型的時間與成本，這些新型的預浸料可以采用較低成本的真空袋壓法、先進拉擠(R)法和熱模壓法。產品如Hexcel的HexPly M 56，Tencate的TC 250，Cytec的Cycom 532，ACG的MTM44-1。
　　(3)不同預浸料產品形態的出現。短切預浸料，可以采用經濟型的模壓工藝，產品如Hexcel的Hexmc，Dencate的MS系列產品；半預浸料，在預浸工藝時不需要完全“濕透”纖維，在后續工藝中完成完全浸潤，產品如Hexcel的Hexfit。
　　(4)針對不同應用的專用預浸料。如汽車領域，對零件短時間成型要求高，為滿足后續快速成型工藝，必須開發<5 min的快速固化預浸料，產品如Hexcel的Hexply M77，可以在150℃下2 min固化；為了滿足風電葉片支撐梁  厚層合板的生產，Gurit開發了SparPregTM，無需壓實和借助其他排氣織物，就可以獲得低孔隙率的層合板；在復合材料模具領域，各家也開發了相應的預浸產品，如Hexcel的Hextool，ACG的DFormTM專業產品。
　　(5)結構與功能結合的預浸料。在樹脂中混入納米碳管或短切碳纖維，再浸潤碳纖維絲束或織物，形成具有吸波功能的預浸料。
　　(6)與其他材料共固化的預浸料。預浸料可以與灌注的樹脂共同固化，可以與SMC共同模壓固化，也可以用單向預浸料  織物預浸料SMC共同模壓固化。
　　(7)碳纖維熱塑性預浸料。近幾年，熱塑性預浸料及其復合材料迅猛發展，與熱固性預浸料相比，熱塑性預浸料無需冷庫倉存與運輸，后續成型工藝高效且方便，材料的韌性大，抗沖擊性能好，尤其可再生利用，符合節能減排綠色環保趨勢。但熱塑性預浸料存在的大問題主要有4個：一是熱塑性樹脂的高粘度導致與纖維的浸潤非常困難；二是還沒有合適的低成本、高效率和能保證質量的預浸料制備方法與裝備；三是高性能熱塑性樹脂成型溫度在350℃以上，預浸料及其復合材料制品成型工藝難度很大；四是高性能熱塑性樹脂與通用熱固性樹脂相比較價格太昂貴。目前國際上主要通過粉末噴涂、纖維混紡、薄膜輥壓等工藝，獲取了不同樹脂質量分數精度的熱塑性預浸料，分別滿足各類成型應用的需要。
1.3　復合材料新型成型工藝
　　對于高端復合材料成型工藝，由于預浸料具有精確的纖維和樹脂質量分數優點，所以以預浸料為原料，發展了很多新的成型工藝，有些正在替代傳統成型工藝。另外，汽車領域對復合材料短時間成型要求高，也催生了一些快速成型工藝。
　　(1)新型拉擠與纏繞工藝。傳統的拉擠與纏繞工藝的大優點是自動化程度高，缺點是由于絲束浸潤樹脂的質量分數不均和較為隨機的排列，導致樹脂質量分數精確度低、纖維浸潤均勻度低和產品品質不高的缺點。采用預浸帶材后，傳統拉擠工藝可以提升為先進拉擠工藝(ADP，Advanced Pultrution)，既可以完成精確的鋪放，又可以采用連續模壓，形成高品質型材；纏繞工藝采用預浸帶，則可以生產出更精密的管材與罐類產品。
　　(2)自動鋪纖維(帶)工藝。1960年代，美國空軍率先開發自動鋪帶技術，實現了對手工鋪放工藝的替換。之后，以美國MAG Cincinnati、Ingersoll，法國Forest―Line(2011年被MAG收購)和西班牙M―Torres為代表的傳統數控機床設備廠家積極推動大型自動鋪放設備的發展，2012年MAG推出了鋪纖、鋪帶一體機；隨著工業機器人在工業中的普及，借助多軸機器人帶動鋪放頭的自動鋪放設備蓬勃發展，可以經濟地加工中心型零件的鋪放。法國的Coriolis是這個行業的典范，他們開發的16(或32)條窄帶，窄帶寬度6.35 mm，可實現16(32)條內任何數量的鋪放，滿足復雜表面的高精度鋪放。熱塑性預浸帶自動鋪放設備也是一個亮點，在鋪放預浸帶的同時，通過激光、熱吹風等加熱方式熔化樹脂，把預浸帶壓實到模具上，是熱塑性復合材料精密加工典型的工藝。有關公司的自動鋪纖(帶)機和熱塑性鋪帶機見圖3。

　　(3)預浸料模壓成型工藝  (Prepreg Compression Molding，PCM)。為滿足汽車行業對復合材料快速成型的要求，以日本三菱為代表的廠家推出這個新型工藝(該工藝示意圖見圖4)，結合其新推出的大絲束碳纖維P330 60k和WCF 50k，三菱希望實現具有與小絲束類似的良好加工性與高性能，與小絲束類似的高品質，利用PCM實現高產能，終為汽車行業提供良好的價格與產量。

　　(4)先進樹脂傳遞模塑成型工藝(Advanced RTM)。除了基于預浸料的新型工藝，對于干型增強材料，比如各類機織布、多軸經編織物、三維編織物、縫編織物等，這些預成型(Preform)制件通過剪裁后，放置到模具中預定型，然后進入RTM模具，高壓注入樹脂，模具加熱加壓，對材料固化定型。得益于新型的快速固化的樹脂，復合材料可以在5 min內完成(工藝示意圖見圖5)。目前，東麗、寶馬與SGL的合資公司均采用該工藝，成功應用于汽車復合材料的部件成型。

　　(5)集成自動生產工藝。為實現更高效率的生產，業界已經開發了集成自動化生產工藝：從預浸料裁切備料，自動鋪放，高壓熱模壓成型，修邊，所有工序集成到一條生產線上自動完成。其中比較典型的公司是美國科羅拉多州的Fiberforge開發的熱塑性預浸帶復合材料的生產系統(見圖6)。