高性能纖維材料之一碳纖維

碳纖維是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一種含碳量大于90%的纖維材料，它既有碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，又具有紡織纖維的可加工性。

美國聯(lián)合碳化物公司（UCC）于1959年開始最早生產(chǎn)粘膠基碳纖維，五六十年代是粘膠基碳纖維的鼎盛時期，雖然時期已開始衰退，但是它作為耐燒蝕材料至今仍占有一席之地。1959年，日本研究人員發(fā)明了用聚丙烯腈（PAN）原絲制造碳纖維的新方法。在此基礎(chǔ)上，英國皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纖維的技術(shù)流程，使其發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨?，PAN基碳纖維成為當(dāng)前碳纖維工業(yè)的主流，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的90%左右。1974年，美國聯(lián)合碳化物公司開發(fā)了高性能中間相瀝青基碳纖維Thornel-35的研制，并取得成功。目前Thornel-P系列高性能瀝青碳纖維仍是最好的產(chǎn)品，這樣就形成了PAN基、瀝青基和粘膠基碳纖維的三大原料體系。由于PAN基的碳纖維在強(qiáng)度上要優(yōu)于瀝青基、粘膠基碳纖維，在全世界的碳纖維生產(chǎn)中占有75%的比例，具有絕對性的壓倒優(yōu)勢。 當(dāng)生產(chǎn)聚丙烯腈(PAN)基碳纖維的時候，被稱為“母體”的聚丙烯腈纖維首先要通過聚合和紡紗工藝加工聚丙烯腈而成。然后，將這些母體放入氧化爐中在200到300攝氏度進(jìn)行氧化。另外，還要在碳化爐中，在溫度為1000到2000攝氏度間進(jìn)行碳化制成碳纖維。 碳纖維按照用途可分為兩類：1、24K以下的為宇航級小絲束碳纖維（1K的含義為一條碳纖維絲束含1000根單絲），2、48K以上為工藝工業(yè)級大絲束碳纖維。

在軍工領(lǐng)域，戰(zhàn)略導(dǎo)彈飛行中溫度極高，只有碳/碳復(fù)合材料才能滿足需要；而且戰(zhàn)略導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機(jī)和彈頭重量每減1公斤，射程便可大增。大飛機(jī)使用大量碳纖維可節(jié)油20％，并提高安全性和總裝效率；2009年，海衛(wèi)（美國）一舉并購了美國著名的全碳纖維飛機(jī)公司———美國亞當(dāng)飛機(jī)公司。海衛(wèi)接手后，目前已經(jīng)新設(shè)計出2款最新一代全碳纖維飛機(jī)，堪稱世界領(lǐng)先。

汽車結(jié)構(gòu)材料部分改用碳纖維可大量減重，而且節(jié)油減排、抗沖擊、動力增強(qiáng)。老牌英國超跑品牌邁凱倫使用碳纖維構(gòu)件已經(jīng)有30年的歷史，1981年推出的F1賽車MP4/1就引入了碳纖維的賽車車身；1993年推出的邁凱倫F1首次在公路車上采用了碳纖維的底盤，而最新一代的MP4-12C則采用了邁凱倫獨立設(shè)計的碳纖維底盤。 更廣泛的，在電力輸送（碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線）、能源、建筑、通信、環(huán)保等各領(lǐng)域，碳纖維均能覓得其身影，即使時尚的電子產(chǎn)品，也已經(jīng)采用碳纖維作為外殼材料。預(yù)計到2015年工業(yè)市場的應(yīng)用份額將達(dá)65%以上。

目前國內(nèi)碳纖維發(fā)展面臨兩個瓶頸，一是原絲技術(shù)，二是碳化爐。碳纖維不能通過碳元素如石墨直接生產(chǎn)，而主要依賴有機(jī)高分子纖維炭化，再去除非碳元素，使之形成高度結(jié)晶的石墨結(jié)構(gòu)。盡管國內(nèi)發(fā)展了幾十年，但只能小規(guī)模(200~300 噸)生產(chǎn)T300的碳纖維，對于高強(qiáng)碳纖維T800、T1000，國內(nèi)尚無生產(chǎn)能力，這主要是國內(nèi)欠缺高性能原絲與先進(jìn)的碳化爐。 技術(shù)方向上，國內(nèi)企業(yè)一般采用聚丙烯腈為原料，從產(chǎn)業(yè)鏈看，碳纖維生產(chǎn)經(jīng)歷由原絲（PAN）生產(chǎn)再到預(yù)浸料再到具體終端產(chǎn)家的過程。目前，原絲的售價是40元～50元/公斤，碳纖維為200元/公斤，預(yù)浸料為500元/公斤，每一級的深加工都有高幅度的增值。 我國碳纖維的消費結(jié)構(gòu)與日本類似，多集中在體育休閑用品領(lǐng)域，未來的發(fā)展重點是新興工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、建筑材料、汽車、壓力容器和高壓輸電線潛力很大，僅風(fēng)機(jī)葉片對碳纖維的需求到2020年預(yù)計就將達(dá)到萬噸級。 在市場需求再加上政府關(guān)注、國防需求等因素的刺激下，近年來我國出現(xiàn)了前所未有的碳纖維產(chǎn)業(yè)化建設(shè)熱潮。截至目前，我國在碳纖維產(chǎn)業(yè)的投資額已經(jīng)達(dá)到90億元（含部分復(fù)合材料制品產(chǎn)能），其中政府投資約占10%。

 

目前，國內(nèi)企業(yè)面臨兩大問題，其一：產(chǎn)能的急劇增加可能導(dǎo)致需求爆發(fā)前的短期過剩，截止10年5月，在建碳纖維產(chǎn)能可能達(dá)已建成碳纖維產(chǎn)能的近6倍，計劃建設(shè)的碳纖維產(chǎn)能則更大。中國石油、中國石化、中國化工、中國建材等大型央企都已介入。 其二，面臨著國外低價優(yōu)質(zhì)進(jìn)口產(chǎn)品的強(qiáng)力競爭。日本東麗的T700產(chǎn)品進(jìn)入中國后的價格為160元/kg，而國內(nèi)一家大型碳纖維企業(yè)的生產(chǎn)成本就達(dá)到160元/kg。因而，中國的碳纖維產(chǎn)業(yè)仍處于“產(chǎn)業(yè)化起步”階段。