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10分钟看懂碳纤维复合材料产业链及应用现状

   日期:2019-06-19     来源:上海绿促会|    作者:黄星渝    浏览:178    
核心提示:10分钟看懂碳纤维复合材料产业链及应用现状
       碳纤维(Carbon Fiber,简称CF)

 

由有机纤维(粘胶基、沥青基、聚丙烯腈基纤维等)在高温环境下裂解碳化形成碳主链机构的无机纤维,是一种含碳量高于90%的无机纤维。

 

碳纤维性能

 

碳纤维材料具有优异的力学、化学、电学等性能,包括:强度高,是钢的5倍;密度小,是钢的1/5、铝合金的1/2;耐热性好,可以承受2000℃以上的高温;热膨胀系数低,可以耐急冷急热,在温差变化较大的情况下,变形量较低;耐腐蚀性能好,能耐硫酸等强酸的腐蚀;抗拉强度好,能达到钢的7~9倍。碳纤维材料不仅具有碳材料的固有特性,还兼备了纺织纤维的柔软可加工性,是国民经济与国防建设不可缺少的新一代增强新材料,被誉为“黑色黄金”。

 

碳纤维可以按照原丝类型、力学性能、丝束大小等不同维度进行分类。

 

碳纤维的分类

 

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按照原丝类型进行分类:碳纤维的原丝主要有聚丙烯腈(PAN)原丝、沥青纤维和粘胶丝,由这三大类原丝生产出的碳纤维分别称为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中,聚丙烯腈(PAN)基碳纤维相较于其他两种碳纤维工艺难度更低,并且拥有优异的成品品质和优良的力学性能,目前占据主流地位,产量占碳纤维总量的90%以上,粘胶基碳纤维还不足1%。

 

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图:各原丝类型碳纤维市场份额

 

在按丝束大小分类中,K表示碳纤维单丝的数量,如1K代表一束纤维丝里包含了1000根单丝。一般而言,每束碳纤维根数小于24000根(24K)的被称为小丝束;大于48000根(48K)的则称为大丝束。小丝束碳纤维在工艺控制上要求更严格,碳化等设备造价高,主要应用于国防军工等高科技领域,以及体育用品,如飞机、导弹、火箭、卫星和渔具、高尔夫球杆、网球拍等;大丝束碳纤维成本相对较低,具有更高的性价比,主要应用于医疗器械、机电、土木建筑、交通运输和能源等工业领域。

 

 

按力学性能分类:碳纤维因其优良的力学性能,在应用时多是作为增强材料,因此使用中更多的是按其力学性能进行分类,拉伸强度和模量是国际碳纤维分类的主要标准,可分为高强型(GQ)、高强中模型(QZ)、高模型(GM)、高强高模型(QM)。我国已于2011年11月13日颁布了《聚丙烯腈(PAN)基碳纤维国家标准(GB/T26752-2011)》,由于日本东丽在全球碳纤维行业具有绝对领先优势,国内一般采用日本东丽(TORAY)标准进行分类。

 

碳纤维复合材料产业链

 

因聚丙烯腈(PAN)基碳纤维是目前的碳纤维主流,故下文重点分析聚丙烯腈(PAN)基碳纤维相关情况。

 

1. 碳纤维的产业链构成

 

完整的碳纤维产业链包含从原油到终端应用的完整制造过程:先从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制得丙烯,并经氨氧化后得到丙烯腈;丙烯腈经聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈(PAN)原丝;再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维;碳纤维可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料;碳纤维与树脂、陶瓷等材料结合,可形成碳纤维复合材料,最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。

 

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图:碳纤维产业链构成

 

2. 碳纤维原丝

 

对于聚丙烯腈(PAN)基碳纤维而言,上游的原丝制备技术是其制备的核心。碳纤维的强度显著地依赖于原丝的微观形态结构及其致密性。质量过关的原丝是产业化的前提,是稳定生产的基础。吉林碳谷、上海石化是碳纤维原丝领域的重量级企业。吉林碳谷将原丝商品化,原丝业务占其2017年总营收的90%以上;上海石化是国内少有的、拥有自主腈纶技术、装备完全国产化的企业,具备在现有的腈纶装置上生产原丝的技术能力。

 

3. 碳纤维复合材料

 

碳纤维复合材料是指以碳纤维为增强体,树脂、金属、陶瓷等为基体的复合材料的总称。常见的碳纤维复合材料主要有树脂基复合材料(CFRP)、炭基复合材料(C/C)、金属基复合材(CFRM)、陶瓷基复合材料(CFRC)和橡胶基复合材料(CFRR)等。其中树脂基复合材料(CFRP)是市场需求最为广阔的碳纤维复合材料,2017年的需求量为118.7亿美元,占总碳纤维复合材料需求总量的69.25%。

 

表:碳纤维复合材料的分类、特点及应用领域

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碳纤维复合材料自20世纪50年代面世以来,因其独特的性能,主要用于火箭、航天、航空等尖端科学技术,随着碳纤维复合材料性能的不断完善和提高,目前在航空航天、石油化工、交通运输、土木工程、风力发电、体育产品等领域得到广泛应用。

 

碳纤维复合材料的应用领域

 

1. 汽车工业

 

碳纤维复合材料的材料性能及发展趋势顺应了汽车工业轻量化的发展需求,特别是随着新能源汽车的发展,碳纤维复合材料在汽车上将得到越来越广泛的应用。鉴于碳纤维复合材料具备的优异性能,目前已经逐渐开始被应用到国外汽车内外饰、底盘以及电器元件当中。

 

未来,碳纤维复合材料以及热塑性复合材料等在汽车工业上的应用将替代传统的金属零部件。

 

2. 航空航天

 

航空工业最早大量采用碳纤维复合材料。在航空工业中,飞行器的质量轻,就意味着油耗的降低,速度的加快,碳纤维强度高、密度低、变形量低的特点决定了碳纤维是理想的航空材料。世界最大客机欧洲空客A380机身内外,碳复合材料用量超过40%的比例,客机上的机舱内壁板、后机身蒙皮、水平安定面等都由碳纤维复合材料制成;被称为“黑色飞机”的波音787客机,碳复合材料占其全重50%以上,质量比传统的铝合金机体减轻近20%,耗油量大大降低,碳排放量每年可减少2700吨;而国产大飞机C919的碳复合材料目前还只有约20%。美国的“超级大黄蜂”战斗机、法国的“阵风”战斗机、欧洲的“台风”战斗机都大量使用碳纤维复合材料。碳纤维复合材料在航空工业上有着巨大的应用潜力。

 

碳纤维复合材料可以减轻火箭和导弹的重量,加大火箭和导弹的射程,提高落点的精度。美国的战斧式巡航导弹和三叉戟-2型导弹的发动机壳体采用的就是碳纤维复合材料。我国早在上世纪八十年代就在某型海防导弹上成功采用了碳纤维复合材料,使导弹的射程增大。“天宫一号”上的相机支架组件就是采用了由哈尔滨玻璃钢研究院研制的碳纤维复合材料。人造卫星展开式太阳能电池板也多采用碳纤维复合材料制作。目前碳纤维复合材料作为结构隐身材料也已经得到了某些应用。

 

航天工业之所以选择使用碳纤维复合材料,不仅是因为这种材料能够减轻机身重量,同时其具备耐腐蚀、抗疲劳等优良特性。但是与传统金属材料相比,碳纤维复合材料由于成本过高仍然未被广泛应用。

 

3. 高铁轨交

 

碳纤维复合材料刹车片主要用于高速列车,是碳纤维复合材料的又一重要应用。日本、法国已经成功地将碳纤维复合材料刹车片应用于新干线和TGV高速列车制动,德国Knoor Bremse公司也研制出了高速列车用碳纤维复合材料盘型制动器。随着我国高速列车的飞速发展,碳纤维复合材料刹车片有着广阔的发展空间。

 

4. 海洋船舶

 

上世纪40年代,美国海军首次将碳纤维复合材料用于船舶建造。得益于它在海水环境中表现出的优异性能,在海洋船舶中的应用非常广泛。复合材料优异舒适性的设计理念和无缝船体的优势进一步推动了各种复合材料船舶的开发。

 

近年来,碳纤维复合材料在船只上的使用不断增加,主要包括船壳、地板、甲板、舱壁,以及管道系统、油箱等上层建筑。碳纤维复合材料的应用不仅降低了制造和维修成本,改善外观,还可以减轻吨位,提高安全性。

 

5. 风力发电

 

在风力发电领域,复合材料是制造风力发电叶片及其它重要结构部件的主要材料,叶片90%以上重量由复合材料组成,能够满足开发大型化、轻量化、高性能、低成本的发电叶片的要求。随着大丝束碳纤维的广泛应用,碳纤维价格的不断降低,碳纤维在大型叶片中的应用已成为一种趋势。

 

未来风力发电叶片制造中,碳纤维代替部分玻璃纤维应用于叶片、且用量逐步增加是高性能碳纤维复合材料发展的必然结果。

 

6. 体育用品

 

碳纤维复合材料在运动器材中也得到了广泛应用。包括高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓鱼竿、自行车架、冰球拍、船桨、赛艇等,都已经形成了成熟的市场。

 

7. 石油工业

 

美国经过多年的努力,在20世纪90年代初研制成功了碳纤维复合材料连续抽油杆,试验结果表明: 碳纤维复合材料连续抽油杆克服了普通钢抽油杆质量大、能耗高、失效次数多、活塞效应大、作业速度慢、易磨损的缺点,是一种很有发展前途的特种抽油杆。近来亚洲第一大石油公司中国石油天然气股份有限公司计划大力发展碳纤维产业,拓宽碳纤维复合材料的应用领域,不断向高端市场延伸,特别是海上钻井平台,目前每个平台要使用钢材8万吨,如果改用复合材料,则每个平台仅消耗1.3万吨的碳纤维复合材料。深海油气田将是碳纤维复合材料发挥作用的重要领域。

 

8. 土木建筑

 

水泥在土木建材领域中用量最大,但水泥也有诸如脆性大、抗拉强度低等缺点,而现在用混凝土或水泥做基体制成的碳纤维增强复合材料,克服了水泥强度低、在混凝土中易开裂、易受到氯盐、硫酸盐等侵蚀的缺点,在冬季及寒冷地区有很大的应用空间。在大型建筑中,钢筋的使用量相当惊人,国家体育场“鸟巢”的钢筋绑扎量达到5.2万吨,施工量大,运输、安装费时费力,如果采用自身较轻的碳纤维,可以大大降低建筑结构的重量,方便施工,减少安装时间,降低施工周期。用碳纤维和树脂制成的碳纤维复合材料片,拉伸模量高、拉伸强度大,广泛应用于加固受损的钢筋混凝土结构物,用在石油平台上可使石油平台壁的耐冲击性能大大增强。 

 

 
 
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