高性能纖維材料

　高性能纖維是指對外界的物理和化學(xué)作用具有特殊耐受能力的一種材料，被稱為第三代合成纖維；其在海洋開發(fā)、情報信息和軍事裝備等國防軍事和工業(yè)領(lǐng)域起著不可替代的作用，是體現(xiàn)一個國家綜合實力與技術(shù)創(chuàng)新的標志之一。

　　1、高性能纖維：強國強軍的戰(zhàn)略材料

　　1.1、高性能纖維的定義：具備特殊耐受力的一類材料 123456

　　高性能纖維，是指對外部的力、熱、光、電等物理作用和酸、堿、氧化劑等化學(xué)作用具有特殊耐受能力的一種材料。包括高強度、高模量、耐高溫、阻燃、抗電子束輻射、抗射線輻射、耐酸、耐堿、耐腐蝕等的纖維。

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　　被稱為第三代合成纖維。這類纖維由于具有比普通纖維更高的機械強度和彈性模量，更好的熱穩(wěn)定性、耐酸堿性及耐候性。是20世紀60年代初發(fā)展以來，高分子纖維材料領(lǐng)域發(fā)展迅速的一類特種纖維。它被稱為繼第一代錦綸、滌綸和腈綸及第二代改性纖維(包括差別化纖維)之后的第三代合成纖維。 123456

　　1.2、高性能纖維類別繁多

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　　高性能纖維按化學(xué)組成可分為有機和無機高性能纖維兩大類。 123,123

　　有機高性能纖維是由有機聚合物制成的高性能纖維或利用天然聚合物經(jīng)化學(xué)處理而制成的高性能纖維，按其大分子剛?cè)嵝钥煞譃閯傂枣溇酆衔锢w維和柔性鏈聚合物纖維。其中，剛性鏈聚合物纖維由芳香族大分子構(gòu)成，大分子柔軟度較差，包括芳綸、聚四氟乙烯等；而柔性鏈聚合物纖維大分子不包含芳香環(huán)，柔性度較好，包括超高分子量聚乙烯纖維、超高分子量聚乙烯醇纖維、超高分子量聚丙烯腈纖維等。無機高性能纖維一般以礦物質(zhì)或金屬為原料制成。它同樣具有不同的分子構(gòu)象或結(jié)構(gòu)，如無定形纖維、多晶纖維和單晶纖維等。主要品種有碳纖維、玻璃纖維、石英玻璃纖維、硼纖維、陶瓷纖維、金屬纖維等，此外尚有石棉纖維、礦渣棉、高硅氧纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維等其他無機纖維。

　　1.3、應(yīng)用集中于工業(yè)，其中高強度高模量纖維發(fā)展最快

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　　高性能纖維在國防軍事和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。尤其是在有特殊要求的工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域，比如宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、情報信息、能源交通、土木建筑、軍事裝備、化工和機械等諸多方面，高性能纖維起著不可缺少的作用。

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　　有機高性能纖維中的高模量高強度纖維每年以兩位數(shù)速率增長。有機高性能纖維可分為4大類近40種，分別為高強高模纖維、耐熱纖維、抗燃纖維及耐腐蝕纖維。目前，已經(jīng)商品化的高性能有機纖維當屬高強高模纖維增長最快，主要品種的需求量均以2位數(shù)增長，耐熱纖維次之，主要品種以5%-10%的年增長率發(fā)展，抗燃纖維和耐強腐蝕性纖維相對增長緩慢，但又不可缺。 123456

　　體現(xiàn)國家綜合實力與技術(shù)創(chuàng)新的標志之一。高性能纖維在國內(nèi)外已作為技術(shù)創(chuàng)新、占領(lǐng)技術(shù)優(yōu)勢的重要戰(zhàn)略物質(zhì)，在國防、軍工、航空、航天、能源、交通等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。高性能纖維生產(chǎn)技術(shù)與裝備水平是體現(xiàn)國家綜合實力與技術(shù)創(chuàng)新的標志之一。 本文來自123

　　1.4、三種主要高性能纖維：各顯其能，各居其功

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　　碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維被稱為當今世界的三大高性能纖維。在品種繁多的各種高性能纖維中，碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維備受世界關(guān)注，是各國的重點發(fā)展對象。它們的共同點是不僅都具有高強度高模量的力學(xué)性能，更是具備耐腐蝕和阻燃耐熱等特殊性能，在國防軍事、航天航空和工業(yè)能源等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。這三大高性能纖維由于某些性能上的差異，被應(yīng)用在各個不同領(lǐng)域，發(fā)揮著各自無可取代的特長。 copyright 123456

　　1.5、高性能纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求迫切

　　我國傳統(tǒng)化纖產(chǎn)能過剩，但對位紡綸、碳纖維和超高分子量聚乙烯等高性能纖維卻仍需大量進口。其中對位紡綸進口依存度超過95%，碳纖維進口依存度約70%。超高分子量聚乙烯進口依存度也接近40%。未來我國高性能纖維市場存在巨大替代進口的空間。 123,123

　　強國強軍的戰(zhàn)略物資。在軍事裝備現(xiàn)代化、民用產(chǎn)品高性能化、生產(chǎn)過程標準化、技術(shù)進步高速化發(fā)展的今天，高性能纖維，以及高性能纖維增強的復(fù)合材料已在各領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。正如美國國家材料顧問委員會的科學(xué)家在1992指出的那樣：“如果美國要保持在高技術(shù)產(chǎn)品上的領(lǐng)先，支持高技術(shù)纖維的開發(fā)是十分關(guān)鍵的。失去在高技術(shù)纖維領(lǐng)域的領(lǐng)先地位將使我們失去飛機制造業(yè)在國際上的領(lǐng)先優(yōu)勢，進一步還會削弱我們的汽車工業(yè)在國際上的競爭力”。

　　巨大的產(chǎn)業(yè)化空間。高性能纖維具有已有的和潛在的市場，除在軍事領(lǐng)域外，它還在航空航天、船舶、海洋工程、電子信息、橋梁建筑、交通運輸、體育娛樂、建筑等方面有廣闊的應(yīng)用前景。其產(chǎn)業(yè)化上可帶動原材料，下可帶動復(fù)合材料及其產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。 123,123

　　纖維強度不足理論十分之一，科學(xué)理論上還有進一步發(fā)展的需要。纖維在成型過程中大分子鏈沿軸向取向排列形成規(guī)整度很高的軸向有序結(jié)構(gòu)，如果纖維中所有的大分子沿軸向整齊排列，其的理論拉伸強度可達200cN/dtex以上。目前即使是高強高模纖維，其強度僅為理論強度的十分之一，在材料中也是比強度最高的。同時也說明我們對傳統(tǒng)的纖維成型理論及其工藝通過創(chuàng)新性研究還會進一步提高纖維強度和模量。 copyright 123456

　　2、碳纖維

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　　2.1、碳纖維性能卓越，是軍民兩用的新材料

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　　碳纖維是含碳量在95%以上的新型高性能纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。它是由有機纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

　　碳纖維的比模量是鋼鐵的100以上，在同時要求重量和強度的工程上應(yīng)用前景璀璨。碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。它的比重不到鋼的1/4，模量卻是鋼的5-6倍，材料的比強度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。而且碳纖維在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，且具有耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱等特性，碳纖維增強的復(fù)合材料更是具備出類拔萃的綜合性能。不少人預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時代進入到一個復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的時代。

　　碳纖維目前的主要消費市場在于航空航天、風(fēng)力發(fā)電、運動器材等領(lǐng)域。碳纖維可用來替代銅、鋼鐵等金屬，同時用于國防軍事、機械和建材交通等領(lǐng)域，是軍民兩用的關(guān)鍵新材料，在國民經(jīng)濟中有著重要的戰(zhàn)略地位。

　　2.2、碳纖維全球需求持續(xù)增長

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　　全球碳纖維的需求量每年以13%的速度增長。隨著航空航天等領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求的持續(xù)增長，全球碳纖維市場正以每年平均兩位數(shù)的速度快速增長。據(jù)美國Lucintel公司研究稱，未來幾年全球碳纖維市場將以每年13%的速度繼續(xù)增長，預(yù)計到2015年全球碳纖維市場將達到23億美元。 內(nèi)容來自123456

　　航空航天和風(fēng)電新能源等領(lǐng)域是全球碳纖維的主要增長市場。在航空航天領(lǐng)域，越來越多的商務(wù)飛機和軍用飛機的主要或次要結(jié)構(gòu)件模型將應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)。此外，隨著全球風(fēng)電市場的逐步壯大，風(fēng)電葉片也已經(jīng)成為碳纖維主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。據(jù)《ChemicalWeek》稱，一套機組僅葉片就重18噸，如果用碳纖維，能減輕6噸，還增加了強度和韌性，也增加了發(fā)電功率，如此優(yōu)秀的品質(zhì)使碳纖維在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用越來越多，到2014年，每年將有超過5萬噸的碳纖維流入葉片市場領(lǐng)域。

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　　日本三菱麗陽公司調(diào)查了2006年到2015年碳纖維在三大領(lǐng)域各自的需求情況及預(yù)測，認為自2012年起其需求將以年增長近20%的速度強勁增長。

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　　2.3、碳纖維全球產(chǎn)能分布集中，供給較平衡

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　　碳纖維分為三種，聚丙烯腈(PAN)基碳纖維是其主要品種，占其總產(chǎn)量的90%以上。碳纖維按照原絲成分，主要分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類。其中，聚丙烯腈(PAN)基碳纖維因生產(chǎn)工藝相對比較簡單、技術(shù)相對成熟、產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能好且成本相對較低已經(jīng)成為碳纖維工業(yè)生產(chǎn)的主流產(chǎn)品，約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%，也是當今世界碳纖維發(fā)展的主流。 123,123

　　聚丙烯腈(PAN)基碳纖維產(chǎn)能非常集中，日本和美國合計產(chǎn)能占全球80%以上。PAN基碳纖維方面，日本廠商產(chǎn)能依舊雄踞第一位，日本前三大PAN基碳纖維廠商東麗、東邦及三菱的總產(chǎn)能達到40400噸，美國前三大PAN基碳纖維廠商卓爾泰克(Zoltec)、Hexcel及氰特(Cytec)集團的總產(chǎn)能達到20750，分別占全球總產(chǎn)能的53.87%與27.67%，產(chǎn)能分布非常集中。

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　　瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維產(chǎn)量較小，用于其他更特殊要求的領(lǐng)域。瀝青基碳纖維屬于高模量碳纖維，是碳纖維第二大品種，總產(chǎn)量約占7%。粘膠基碳纖維受性價比等因素制約，占碳纖維總產(chǎn)量不足1%，但由于有更好的耐燒蝕性能，主要用于隔熱材料，如火箭發(fā)動機噴管等。 copyright 123456

　　2.4、碳纖維的國內(nèi)消費市場潛力巨大 內(nèi)容來自123456

　　國內(nèi)的碳纖維市場近年消費增速加快，未來將出現(xiàn)快速擴張態(tài)勢，年均增速將達18.41%。據(jù)統(tǒng)計，1996-2002年國內(nèi)碳纖維消費量年均增長超過20%，而近幾年來碳纖維消費需求量增速一直保持在18%左右。2009年我國碳纖維的年需求量超過7200噸，2010年突破8500噸。未來幾年碳纖維市場將出現(xiàn)快速擴張態(tài)勢，年均增速將達18.41%。預(yù)計到2015年，國內(nèi)碳纖維總需求量將達到13500噸/年。 內(nèi)容來自123456

　　國內(nèi)碳纖維的文體市場趨于飽和。目前我國文體休閑制品的碳纖維消費市場已經(jīng)趨于飽和，許多產(chǎn)品以進入國際市場為主，未來發(fā)展速度將有所減緩，預(yù)計2010-2015年期間年均增長速度約4.6%。

　　國內(nèi)碳纖維的工業(yè)及能源市場發(fā)展?jié)摿O大。我國碳纖維工業(yè)應(yīng)用的重要潛在市場以混凝土結(jié)構(gòu)物的補強、飛機制造、民用汽車和風(fēng)力發(fā)電為主，未來市場的發(fā)展前景較好，預(yù)計年均增長率達到53.4%。 123456

　　2.5、國內(nèi)實際產(chǎn)量嚴重不足，高端碳纖維依賴進口

　　國產(chǎn)碳纖維以低端產(chǎn)品為主。我國碳纖維原絲產(chǎn)能約12080噸，碳纖維產(chǎn)能7081噸，產(chǎn)品以小絲束等低檔產(chǎn)品為主，T300級碳纖維初步實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

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　　國內(nèi)碳纖維產(chǎn)能雖基本滿足自給，但實際產(chǎn)量遠小于產(chǎn)能，不足2000噸。僅從產(chǎn)能方面考察，國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)基本可滿足需求。但由于國內(nèi)碳纖維產(chǎn)品多數(shù)為低端產(chǎn)品，難以滿足下游的性能需求。且國內(nèi)多數(shù)廠商生產(chǎn)不穩(wěn)定，實際產(chǎn)量遠小于產(chǎn)能。2010年國內(nèi)碳纖維實際產(chǎn)量不足2000噸，自給率不足30%，因此國內(nèi)碳纖維需求缺口仍然很大。 copyright 123456

　　國內(nèi)新增碳纖維產(chǎn)能將出現(xiàn)爆發(fā)式增長。經(jīng)歷過2008年金融危機，2009-2010年我國碳纖維消費量開始攀升，預(yù)計在2012年前后進入增長期。目前我國有許多碳纖維項目開始啟動，預(yù)計到2015年我國將新增碳纖維原絲產(chǎn)能44000噸，原絲碳化產(chǎn)能21400噸。 本文來自123

　　盡快加快國內(nèi)碳纖維尤其是高端碳纖維的自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程，具備重大戰(zhàn)略意義。受供求關(guān)系和發(fā)達國家對我國實行碳纖維技術(shù)及產(chǎn)品雙重封鎖的影響，我國碳纖維市場一直處于受制于人的狀態(tài)，甚至某些碳纖維復(fù)合材料高端用戶面臨沒有原料可以進行加工的尷尬境地。此外，由于大型航空飛機制造和清潔能源等產(chǎn)業(yè)的拉動，世界范圍的碳纖維需求量將持續(xù)增加，國際碳纖維供需關(guān)系短期之內(nèi)不會大幅回落。因此，作為重大戰(zhàn)略材料，我國需建設(shè)立足國內(nèi)的碳纖維自主保障能力，以確保高端用戶的需要。 copyright 123456

　　2.6、制約我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的瓶頸：原絲工藝和碳化設(shè)備 123456

　　制約我國碳纖維發(fā)展的主要因素有兩個方面，其一是碳纖維原絲質(zhì)量問題。國產(chǎn)原絲在純度、強度以及均質(zhì)化方面與國外相比存在較大差距，大大制約了國產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)品質(zhì)量。碳纖維生產(chǎn)工藝流程長，技術(shù)關(guān)鍵點多，生產(chǎn)壁壘高，是多學(xué)科、多技術(shù)的集成，其中碳纖維原絲的生產(chǎn)技術(shù)更是難中之難。 本文來自123

　　碳纖維原絲的生產(chǎn)難度主要表現(xiàn)在碳纖維原絲的噴絲工藝、丙烯腈聚合工藝、丙烯腈與溶劑及引發(fā)劑的配比等。由于PAN-原絲對碳纖維質(zhì)量影響巨大，占碳纖維成本比例達到50%以上。PAN基碳纖維制造的第一步是用丙烯睛(AN)單體制造PAN原絲，類似于紡織用的PAN纖維的生產(chǎn)。在原絲制備工藝中，需要考慮影響原絲質(zhì)量的因素，比如聚合物的分子量、聚合組分、紡絲拉伸方法等等。第二步是原絲的預(yù)氧化和碳化，預(yù)氧化處理的目的是使PAN的線性分子鏈轉(zhuǎn)化為耐熱的梯形結(jié)構(gòu)，使其在高溫碳化時不熔不燃，保持纖維形態(tài)。碳化過程是碳纖維形成的主要階段，除去了纖維中大量的氧、氮和其他元素，再經(jīng)表面處理、干燥上漿得到金屬光澤的PAN基碳纖維產(chǎn)品。 copyright 123456

　　目前，世界碳纖維的技術(shù)格局是：日本壟斷關(guān)鍵技術(shù)，美國的碳纖維技術(shù)處于成長階段，國內(nèi)則處于起步階段。世界碳纖維技術(shù)主要掌握在日本東麗公司、東邦公司和三菱人造絲公司手中，這3家企業(yè)技術(shù)嚴格保密。而美國赫克塞爾(Hexcel)、阿莫科(Amoco)和卓爾泰克(Zoltek)等其他碳纖維企業(yè)均處于成長階段，生產(chǎn)工藝還處于不斷完善階段。國內(nèi)的碳纖維企業(yè)更是處于如何提高原絲生產(chǎn)工藝水平的瓶頸上。

本文來自123

　　碳纖維技術(shù)的發(fā)展方向是在降低成本的基礎(chǔ)上提高性能。近年來，國外對碳纖維技術(shù)開發(fā)研究集中在提高性能、降低成本方面。日本東麗公司根據(jù)先進復(fù)合材料市場發(fā)展的需求，已決定逐步淘汰T300類碳纖維，重點發(fā)展拉伸強度為4000-5000MPa、價格與T300基本相當?shù)奶祭w維品種，同時由于大絲束碳纖維性價比較高，也開始發(fā)展大絲束碳纖維。 123456

　　制約我國碳纖維發(fā)展的瓶頸之二是耐高溫材料及大型高溫爐。國產(chǎn)碳化爐采用僅能允許在1400℃以下溫度使用的碳化硅作為發(fā)熱體，高溫環(huán)境下碳化硅抗負荷強度低，不能制作大尺寸工業(yè)規(guī)模碳化爐，無法實現(xiàn)1500℃的最佳工藝。國外采用高純石墨材料1800℃以上的高溫碳化爐嚴格限制對我國的出口，中等規(guī)模的高溫碳化爐進口價格高，導(dǎo)致國產(chǎn)碳纖維裝臵的建設(shè)成本過高，無法與進口纖維競爭。

　　2.7、國內(nèi)碳纖維研發(fā)步調(diào)加快，小有成果

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　　我國碳纖維研究已經(jīng)三十多年，T300通用級產(chǎn)業(yè)化已取得突破性進展，百噸級和千噸級碳纖維已投入生產(chǎn)；T700級正在進行中試放大，T800級正在實驗室研制。目前國內(nèi)有一兩個單位的產(chǎn)品品質(zhì)已超過T300級的性能指標，達到了T400級水平，并且可以小批量生產(chǎn)。這處于上世紀80年代日本東麗公司在碳纖維研發(fā)方面的水平。同時由于T300級碳纖維實現(xiàn)了國產(chǎn)化，打破了國外壟斷，迫使進口價格大幅度下降。從總體形勢來看，我國當前處于由T300通用級向高性能的T700和T800發(fā)展的過渡期。高性能的T700、T800和T1000級的碳纖維研制尚遠。