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          中國的碳纖維復合材料之路

          文章出處:網絡責任編輯:管理員人氣:發表時間:2015-10-02【

          中化新網訊  提到碳纖維,人們能想到的是飛機、坦克、火箭……給人的是距離感和神秘感。然而,今年6月份,連云港神鷹碳纖維自行車有限責任公司對外展示的僅有6千克重的碳纖維自行車,仿佛瞬間縮短了碳纖維與大眾的距離。人們驚訝地發現,不知覺中,碳纖維已經悄然步入了自己的日常生活。
           
              于是,人們迫切地想知道,碳纖維材料究竟有何奇特之處?中國的碳纖維產業現在是什么樣子?
           
              從軍工到民用—— 新興應用領域崛起
           
              比人的頭發絲還要細100倍的碳纖維,密度不到鋼的1/4,但剛度卻是鋼的4倍,抗拉強度則是鋼的7~9倍。碳纖維是目前世界上所有高性能纖維中比強度和比模量最高的纖維。它不僅具有優異的力學性能,還擁有讓其它材料望塵莫及的耐高溫能力。碳纖維是到目前為止在2000攝氏度高溫條件下,唯一能夠保持其強度的材料。由于兼具高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導電和導熱等性能,同時還具備纖維的柔軟可加工性,碳纖維成為了當之無愧的新一代增強纖維之王。
           
              碳纖維發軔于軍工領域。在20世紀70年代,碳纖維開始應用于軍工。有著高盧雄鷹之稱的法國“陣風”戰斗機、美國主戰坦克等率先采用了碳纖維復合材料。20世紀90年代后,碳纖維復合材料的應用開始由軍工領域向民用領域滲透。到本世紀初,碳纖維的身影已經隨處可見。
           
              在能源領域,風電廠、輸電網和采油田都能找到碳纖維的影子。全球風機裝機容量的增長速度正在加快,而目前玻璃纖維材料的葉片已經不能滿足尺寸上的需要,碳纖維是目前唯一能夠滿足大尺寸葉片要求的材料。此外,我國在寧夏、福建的局部地區已經應用了碳纖維電纜輸電,不但輸電能耗降低3%左右,而且減少了50%輸電鐵塔的使用,從而節省了大量的土地。碳纖維在油田深井采油方面的作用也越來越無可替代。“能深入2000米以下的采油桿就只有碳纖維可以做,別的材料根本做不了。”北京化工大學國家碳纖維工程技術研究中心徐樑華教授告訴CCIN記者。
           
              在交通領域,碳纖維充當了節能減排的先鋒。水、陸、空的各種交通工具都可以通過它來“減肥瘦身”,從而達到降低能耗的目標。新型超大型客機——空中客車A380和夢幻波音787,均大量使用碳纖維或碳纖維增強復合材料作為其主要的結構材料。以A380為例,其首架飛機每位乘客的百千米油耗不到3升,幾乎可以跟現在的小汽車媲美。而很多國家已經瞄準了碳纖維在汽車行業的巨大發展潛力。美國從2002年開始,由政府組織3個國家實驗室、15所大學和50家材料供應商聯合攻關,計劃花10年的時間開發出節能環保型的新一代復合材料汽車,以保持其在世界的領先地位。在日本,日產汽車公司、本田汽車公司和東麗公司也在聯手開發汽車車體用的新型碳纖維材料,目標是在2015年前開始量產。有業內專家告訴CCIN記者,預計到2015年前后,碳纖維必將會普及應用到各類汽車上。
           
              在建筑領域,碳纖維因其高強度的性能成為橋梁加固和建筑物抗震補強的理想材料。全國特種纖維信息中心主任羅益鋒告訴CCIN記者,日本阪神大地震之后,日本大量使用碳纖維為建筑物加固,取得了良好效果。“汶川地震后,我國用于汶川地區橋梁和建筑物加固的碳纖維達到200噸。”徐樑華介紹說,我國擁有世界上最大的土木建筑市場,碳纖維作為加固材料的應用將迎來良好的市場機遇。
           
              據中投顧問產業研究中心相關統計數據顯示,過去5年全世界碳纖維需求平均每年以大約13%的速度飛速增長。雖然2008年全球金融危機曾導致碳纖維需求一度下降,但是金融危機后碳纖維市場顯現出持續升溫的態勢。有專家預測,到2010年底,全世界碳纖維需求量可達到3萬噸,到2012年將達6萬噸,到2018年需求量將達到10萬噸。
           
              我國碳纖維市場同樣呈現需求旺盛的局面。據統計數據顯示,2001~2008年碳纖維消費量年均增長保持在21.7%左右。
           
              國產貨還是老毛病 — — 質量不穩成本高
           
              面對旺盛的市場需求,從2002年開始,國內眾多企業不惜砸下重金進入碳纖維領域,掀起了一股碳纖維產業的建設熱潮。除吉林、山東、江蘇、山西、遼寧、安徽、北京、上海等傳統的碳纖維工程化研發基地外,現又逐步形成了河北、陜西等新興的碳纖維工程化研發基地。到目前為止,國內有大小碳纖維企業20多家,合計產能約9000噸/年,約占世界總產能的14%。“目前的狀況是大型民營企業和央企都在進入該領域,中石油、中石化、中國化工、中國建材、中鋼集團等大型央企已介入,而且都是幾十億大手筆的投資。”羅益鋒對CCIN記者說,“到今年年底國內千噸級的的碳纖維生產線將建成5家,到2011年底將建成13個,到2015年國內大小碳纖維企業總計將達到近40家。”
           
              作為我國著名碳纖維專家、多屆全國人大代表,羅益鋒對中國的碳纖維發展了如指掌。他向CCIN記者介紹說,碳纖維的品級,通常以拉伸強度指標作為衡量標準,T300抗拉強度應達到3.5GPa,T700則應達到4.9GPa,標號越高表示碳纖維性能越強。碳纖維長期以來被各國視為戰略物資,發達國家一直對制造碳纖維的核心技術及關鍵設備嚴加封鎖和管制,技術無從引進。我國的碳纖維技術完全是自主研發的。目前國內T300級碳纖維產業化基本進入成熟階段,百噸級和千噸級碳纖維生產線已投入生產。2009年國內碳纖維產量達到1000噸以上。預計到2010年年底,國內所有碳纖維企業的總產量可望達到1500噸。“但是國內很多生產線運行和產品質量都不穩定,很多企業難以生產出高質量的碳纖維產品。高端碳纖維仍然是我們的軟肋。”羅益鋒遺憾地說。徐樑華也表示,T700級碳纖維還只是在進行中試放大,T800級碳纖維則在小試階段,都尚未實現產業化。所以,目前我國碳纖維基本上處于供不應求的狀態。2009年我國碳纖維進口總量為7200噸左右,大大超過了自身產量。
           
              高端碳纖維缺失,那低端又發展得如何?“現在我們很多企業是在靠虧損來競爭。舉個例子,日本東麗公司的12K的T700碳纖維在中國的最低售價為160元/千克,相當于國內某大型廠家生產T300的成本。”羅益鋒無奈地告訴CCIN記者。威海拓展纖維有限公司副總經理馬全勝也表示,現在進口碳纖維反而比自己造的更便宜,成本高企普遍困擾著國內碳纖維企業。
           
              導致我國碳纖維性能低成本高的主要原因,專家們一致認為,實驗室技術有了,但是產業化技術不行。徐樑華教授告訴CCIN記者,通過多年的自主創新研究,我國的科研院所已經掌握了T300級碳纖維的生產工藝技術,實驗室和中試規模的產品質量很高,但是放到產業化規模上就有問題了,產不出高性能的產品。他表示,目前存在的問題主要有兩方面,一是工藝和設備不配套。目前國內多數企業的生產工藝技術都是來自科研院所,而生產設備大多是引進國外的先進設備,這就需要企業在生產過程中進行協調,不斷改進,才能生產出高質量的碳纖維。但恰恰很多企業自己并未真正掌握技術,生搬硬套,出了問題也不清楚問題究竟出在何處。二是企業不注重系統工程。碳纖維工藝體系十分復雜,環環相扣,每一個環節有問題都不可能生產出高質量的碳纖維產品。但是國內企業缺乏系統協調,往往看重自己的優勢環節,而忽略了工藝鏈中的短板。“沒有成熟的產業化技術,生產效率就上不去,規模也上不去,成本自然就高了。”徐樑華對CCIN記者說。
           
              羅益鋒告訴CCIN記者,實驗室的生產線只生產幾百千克或者幾噸,而工程上的生產線變成了生產幾百噸幾千噸,生產線放大以后很多細節問題都變化了,不相應地進行技術調整就生產不出高質量的碳纖維。“現在有的企業工程放大問題還沒有解決,就上了千噸級的生產線,這是十分危險的。”羅益鋒如是說。 123,123


          日本東麗公司是全球領先的碳纖維生產商,其產品是不少國內外客戶的首選。圖為日前在北京舉行的2010第十六屆中國國際復合材料工業技術展覽會上,一位美國采購商與東麗公司日本技術人員正洽談碳纖維業務。                (本報記者 徐巖 攝)
           
              專家語重心長—— 產學結合,別扎堆
           
              羅益鋒和徐樑華兩位專家目前都在參加碳纖維產業“十二五”規劃的制定。他們認為,如何將“低性能高成本”變成“高性能低成本”,這是國產碳纖維“十二五”的主攻方向。
           
              “產學研用相結合是碳纖維產業發展的必經之路。目前我們的技術基本來自于高校和科研院所,要依靠企業,才能把技術成果轉化為生產力。”羅益鋒非??隙ǖ卣f。據徐樑華介紹,由國家相關部門支持的碳纖維產業聯盟將于本月底成立,目標就是要加強科研人員與企業的聯系,為各碳纖維生產企業交流經驗提供機會,讓各企業攜手推動我國碳纖維產業的發展。此外,北京化工大學已于今年在本科生中開設了全國第一個碳纖維專業試點課程,希望更多的人能投身到我國的碳纖維事業中來。
           
              企業,無疑是千條建議最終要落實的點。中復集團董事長張定金認為,實驗室技術實現產業化并不是一個簡單的放大過程,有的方法甚至是無法直接產業化擴大的??蒲性核目萍汲晒荒墚a業化的重要原因是科技與經濟脫節,導致相關設備制造不出來,許多工藝問題解決不了。碳纖維生產應以企業為主體來推動科技成果產業化。
           
              但專家們同時強調,必須減少目前的低水平重復建設項目。“雖然國內碳纖維企業有20多家,但是擁有原絲和碳化完整生產鏈的百噸級以上企業目前只有4家,其他企業要么規模小到僅有幾十噸,要么就是只有碳化設備而沒有生產原絲的能力。而國外的企業基本都是千噸級以上,像日本東麗、三菱麗陽等企業都達到萬噸級,而且都是擁有完整生產鏈的。”徐樑華告訴CCIN記者。
           
              據羅益鋒介紹,日本美國等老牌碳纖維強國已經意識到中國的T700和T800碳纖維遲早要產業化,于是他們已經把目光瞄準到新的技術高度,在技術上更上一層樓,搶占制高點。此外,他們也在千方百計地通過擴大規模改進工藝來降低成本,提高市場競爭力?,F在印度、沙特和土耳其等新興國家也加入了競爭的行列,這是國內企業以前沒有意識到的。土耳其作為世界最大的腈綸生產基地,有良好的技術基礎,他們起步雖晚但是產業化很快,碳纖維目前基本達到T400水平,預計年底可以達到T700的水平。而且他們的產品質量好、價格便宜,去年最低價格為每千克120元,預計年底將有500噸以上進入中國市場。

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