碳纖維產(chǎn)品的應用

碳纖維離我們的日常生活越來越近，這種比頭發(fā)絲細100倍的纖維狀碳材料，它的密度不到鋼的1/4，但抗拉強度卻是鋼的7～9倍，抗拉彈性也高于鋼，碳纖維比鋁輕、比鋼硬。由于質(zhì)輕，碳纖維復合材料質(zhì)量大約是鋼的20%，依據(jù)纖維等級和方向性，甚至可以達到類似鋼材的強度。此外，碳纖維還不生銹，使用碳纖維材料可以大幅降低產(chǎn)品體重，因而可顯著提高燃料效率，用其生產(chǎn)的飛機、汽車，可節(jié)約大量燃油。
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碳纖維由于具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導電和導熱等性能，因而使其成為一種兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征的化工新材料，是新一代增強纖維。目前，碳纖維不僅廣泛應用在航空航天、軍事工業(yè)，而且在汽車構件、風力發(fā)電葉片、核電、油田鉆探、體育用品、碳纖維復合芯電纜以及建筑補強材料領域也存在巨大應用空間。

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困境一：生產(chǎn)技術遠落后于發(fā)達國家 123,123

由于碳纖維應用領域涉及到國家的國防和軍工，因此，碳纖維的技術及生產(chǎn)設備各國都嚴格保密。日本、美國等主要生產(chǎn)公司長期以來不但對高性能特種原絲制備技術高度保密、不肯轉讓，也不出售高性能特種原絲產(chǎn)品，而且成套技術引進的可能性也很小。

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據(jù)中科院山西煤炭化學研究所研究員賀福介紹，我國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。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。

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但是由于應用領域的不同，對碳纖維及其復合材料的質(zhì)量要求也不同。也就是說，僅有通用級T300是遠不能滿足市場需求的。因此，賀福認為，必須研制高性能的T700、T800和T1000級的碳纖維。他舉例說，制造大飛機的一次結構材料需要用T800H級及其復合材料P2302(T800H/3902-2);制造碳纖維復合芯鋁絞電纜(ACCC)也需要T700S級。因此，研制高性能碳纖維已是當務之急。未來的主導產(chǎn)品應是T700和T800級，并且T700級將逐步取代T300級，成為新一代通用級碳纖維。 123456

困境二：規(guī)模小數(shù)量多重復研發(fā)

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我國對碳纖維的研究起步并不晚，雖取得了一些進展，但多年來發(fā)展較為緩慢。據(jù)上海擎督信息科技公司金秋能源化工工作室創(chuàng)辦人錢伯章高工介紹，我國自20世紀60年代由中科院長春應用化學研究所率先開始PAN基碳纖維的研究，70年代初完成了連續(xù)化中試裝置。其后上海合成纖維研究所、中科院山西煤化所、北京化工大學、山東工業(yè)大學等也開始研究工作，并于80年代中期通過了中試，進入產(chǎn)業(yè)化試生產(chǎn)階段，先后建成了從年產(chǎn)幾百千克到幾噸的小試裝置和年產(chǎn)幾十噸的中試裝置。但總體而言，不論是技術水平、生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量等都與國外先進水平有較大的差距。

進入21世紀以來，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，

從2000年開始，我國碳纖維向技術多元化發(fā)展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術獲得成功。目前利用自主技術研制的少數(shù)國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達到國際同類產(chǎn)品水平。 123456

近年來，國家有關部委已將碳纖維技術的產(chǎn)業(yè)化進程作為我國的一項戰(zhàn)略任務。隨后，一些企業(yè)相繼加入碳纖維生產(chǎn)行列。 內(nèi)容來自123456

反觀全球，由于碳纖維生產(chǎn)工藝復雜，至今世界上規(guī)模企業(yè)不超過12家。他們分別是日本的東麗、東邦和三菱麗陽，美國的氰特工業(yè)公司(Cytec)、赫克塞爾(Hexcel)公司、卓爾泰克(Zoltek)公司、阿莫科(Amoco)公司，德國的SGL，韓國泰光產(chǎn)業(yè)公司以及中國臺灣的臺塑公司等。其中領先的生產(chǎn)商有日本的三菱麗陽、東邦和東麗以及美國Cytec、Hexcel公司等。

2008年，我國全面啟動和實施的大飛機重大專項整體配套項目中，包括了碳纖維在內(nèi)的諸多化工新材料項目，隨著以該專項為代表的國內(nèi)各領域?qū)μ祭w維產(chǎn)品需求的增加，許多碳纖維研究項目或千噸級產(chǎn)業(yè)化項目紛紛啟動。然而，由于我國碳纖維行業(yè)缺乏具有自主知識產(chǎn)權的核心產(chǎn)業(yè)化技術，產(chǎn)業(yè)發(fā)展不會一蹴而就，但發(fā)展契機已到。 內(nèi)容來自123456

據(jù)介紹，從技術研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化轉化的難度更大，因此碳纖維要真正實現(xiàn)國產(chǎn)化還需要一個漫長的過程。由于市場短缺，近年來國內(nèi)出現(xiàn)了“碳纖維熱”。但應指出，雖然當前國內(nèi)市場對碳纖維產(chǎn)品需求較大，但盲目發(fā)展存在很大風險，這些千噸級項目實施幾年以后市場出現(xiàn)過剩將成為必然。 內(nèi)容來自123456

據(jù)相關部門預測，世界碳纖維需求每年將以大約13%的速度飛速增長，2010年， PAN基碳纖維的全球需求量將達5萬噸，到2012年將達6萬噸，預計到2018年需求量將達到10萬噸。 copyright 123456

突圍之路一：握緊拳頭形成合力

如何在供應超過需求的前景下，快速提升中國碳纖維產(chǎn)業(yè)的升級步速?錢伯章認為，國內(nèi)在制約碳纖維發(fā)展的諸多原因中，PAN原絲水平的落后是制約碳纖維生產(chǎn)水平提高的瓶頸，不僅影響碳纖維的質(zhì)量，而且影響其產(chǎn)量、生產(chǎn)成本和市場競爭能力。 123456

當前我國亟待掌握高性能PAN基原絲生產(chǎn)技術，搶占市場先機。在完善碳纖維生產(chǎn)技術的前提下，盡快在PAN基原絲制造工藝技術上取得突破，發(fā)展高質(zhì)量的上游產(chǎn)品生產(chǎn)線，保證碳纖維生產(chǎn)穩(wěn)定、產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)，從而在關鍵技術上打破國外的封鎖與壟斷。 內(nèi)容來自123456

要借鑒國外先進經(jīng)驗，加強產(chǎn)學研用緊密結合，建立相關機制，把高性能纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展上升到國家戰(zhàn)略高度，使我國碳纖維產(chǎn)業(yè)能夠快速健康地發(fā)展。

突圍之路二：著眼于循環(huán)利用 copyright 123456

近年來，國外對碳纖維技術開發(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，如最新開發(fā)的 T6005、T7005、T700G等。

另外，一些企業(yè)重視研發(fā)環(huán)境友好型循環(huán)碳纖維。日本東麗、帝人和三菱麗陽計劃聯(lián)手大規(guī)模生產(chǎn)循環(huán)碳纖維，以促進高強輕質(zhì)材料的回收利用。

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碳纖維制品多用于特殊領域，其使用壽命和更新周期均有嚴格要求，大量廢棄的碳纖維產(chǎn)品亟待處理。據(jù)日本三菱麗陽估計，目前全球廢棄的碳纖維大約為1萬噸，2010年可達2萬噸。隨著碳纖維生產(chǎn)能力的擴大及增強材料的大量使用，對環(huán)境友好的趨勢要求企業(yè)重視碳纖維的回收利用。發(fā)達國家已開始了這項工作：德國TITK研究所開發(fā)的新工藝，不采用撕切處理就能從廢棄碳纖維紡織品中獲取長度≥20mm，一般長度為30mm～70mm的碳纖維;西班牙INASMET運輸安全機構采用化學和熱解處理技術開發(fā)了碳纖維—環(huán)氧樹酯復合材料回收再利用的新途徑，其回收產(chǎn)品可用于一般的碳纖維制品。 123,123

日本東麗公司、帝人公司和三菱麗陽公司于2009年建立一個合資企業(yè)，從飛機和其他設備中回收和循環(huán)利用使用過的碳纖維。循環(huán)碳纖維的年產(chǎn)量將從開始的幾百噸增加到目前世界最大產(chǎn)量1000噸。 123,123

目前，我國在碳纖維循環(huán)利用方面，是否也應借鑒國外的先進理念，納入研發(fā)范圍之內(nèi)?畢竟站在巨人的肩膀上，可以讓我們看得更高更遠。 copyright 123456