碳纤维有关资料.docx

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碳纤维有关资料

碳纤维有关资料

一：

PAN基大丝束碳纤维由美国Fortail和美国Zoltek公司商品化。

世界主要生产大丝束（LT）碳纤维的厂家是美国阿克苏（AKZ0）、卓尔泰克（ZOLTEK）和阿尔笛拉（ALDILA）三大公司，其大K束的产量之和占世界LT总量的73.7%。

值得注意的是日本东丽公司、三菱公司也开始大量生产24K及以上级别大丝束碳纤维。

促使大丝束碳纤维迅猛发展的原因可能如下：

（1）市场的需求。

九十年代前，航天航空需要高性能小丝束碳纤维，即使价格高也可用轻量化效果来解决。

但九十年代以后对于航天航空工业来说，高价碳纤维限制它的应用，需开发价格较低的大K束碳纤维。

同时，12K以上碳纤维的性能也可满足航天航空工业的需求，性能与价格比占有一定优势。

（2）可大量生产，碳纤维原料成本较低。

PAN原丝K数愈大，价格愈低。

以国产小丝束PAN原丝为例，1K、3K、6K原丝比12K原丝的价格分别高316%、100%和38%左右。

对于PAN基碳纤维生产线来说，原丝占成本价格的56—65%左右，原丝价格低必然使碳纤维价格随之而下降。

（3）大K数碳纤维制造加工成本较低。

对于同一条碳纤维生产设备来说K数大的原丝，产量愈高，越有利于碳纤维价格的下降。

如对1条100t/a碳纤维生产线而言（以12K计算），如果生产1K、3K和6K碳纤维，年产量分别是15t、35t和62t。

二：

碳纤维的生产工艺

聚丙烯腈基碳纤维是目前碳纤维发展的主流，占据主要市场份额，世界上几条著名的PAN基碳纤维生产线大多是从原丝开始，直到碳纤维以及中、下游产品开发。

例如：

日本东丽、东邦、三菱人造丝公司，美国的赫克利公司和阿莫科公司，以及中国台湾地区的台塑都是从聚合、纺丝开始，国外原丝主要生产工艺路线见表1-1。

目前PAN基碳纤维的主要生产方法有硝酸法、硫氰酸钠法、DMF法和二甲基亚砜（DMSO）法等。

二甲基亚砜（DMSO）法是目前国内外公认的᳔先进的工艺，DMSO腐蚀性小，可以靠简单的减压蒸馏提纯，日本东丽公司采用了该工艺。

三：

碳纤维的产品形式

碳纤维主要有四种产品形式：

纤维、布料、预浸料坯和短切纤维。

布料是指由碳纤维制成的织品；预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状；短切纤维指的是短丝。

碳纤维增强复合材料主要包括：

碳纤维增强陶瓷基复合材料，C/C复合材料，碳纤维增强金属基复合材料，碳纤维增强树脂基复合材料等，它们的主要用途：

（1）碳纤维增强陶瓷基复合材料

用碳纤维增强陶瓷可有效改善韧性，改变陶瓷脆性断裂形态，同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。

目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料，在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域广泛应用。

（2）C/C复合材料

它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成，主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。

这种材料除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外，还具有较高的断裂韧性和假塑性。

在高温环境中，强度高、不熔不燃，广泛应用于导弹弹头，固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等领域。

（3）碳纤维增强金属基复合材料

碳纤维增强金属基复合材料具有高的比强度和比模量，高的韧性和耐冲击性能。

目前碳纤维增强铝、镁基复合材料的制备技术比较成熟。

（4）碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）

它具有轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点，被广泛应用作结构材料及耐高温烧蚀材料。

碳纤维增强树脂复合材料所用树脂基体主要分为两类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。

碳纤维增强热塑性塑料是指碳纤维为分散质，热塑性塑料为基体的纤维增强塑料。

用碳纤维增强热塑性塑料近年来发展较快，其特点是：

强度与刚性高，蠕变小，热稳定性高，线膨胀系数小：

减摩耐磨，不损伤磨件，阻尼特性优良。

碳纤维增强热固性塑料是以热固性塑料为基体，以碳纤维及其织物为分散质的纤维增强塑料。

碳纤维及其织物与环氧、酚醛等树脂制成的复合材料具有强度高、模量高、密度小、减摩耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小、导热率大，耐水性好等特点。

四：

最新碳纤维技术动向

PAN基碳纤维技术开发新方向包括：

碳纤维性能的提高；基体树脂技术；成型技术三个方面。

（1）碳纤维性能的提高

为了适应用途方面的性能提高，谋求强度、弹性模量及成本的平衡：

PAN基碳纤维的抗压缩强度提高—通过把硼离子在高电压下进行加速照射，使结晶结构微细化，抗压缩强度可提高1.3-2.0倍；高弹性模量化—PAN基碳纤维弹性模量达到690GPa，抗拉强度达到3.4GPa；碳纤维的界面控制—为了提高耐冲击性，使碳纤维和基体树脂的粘接平衡，对碳纤维界面进行表面处理；碳纤维价格降低。

（2）基体树脂技术

低温固化的耐热性树脂；热熔融树脂；不燃树脂；碳纳米纤维配合碳纤维树脂预浸料，提高层间抗剥离强度和耐压缩强度。

（3）成型技术

努力开发成型的高速化、低价格化、适应批量生产的成型技术及中间体材料。

这些技术包括：

高速成型技术：

树脂灌注成型、树脂膜灌注成型（RFI）、RTM成型、挤拉成型、高速缠绕（FW）成型、SMC/BMC成型等技术并进行积累。

带有数字控制（NC）的自动铺层法：

在航空飞机部件的高压釜成型中，为了优先使曲面形预浸料铺层合理化和高速化，引入了带NC的自动铺层机。

全自动纤维分布：

复合材料的成型材料（窄幅预浸料）被开发出自动铺层的先进装置。

非加热成型技术：

由于电子射线和光固化为非加热成型技术，是低成本、高性能的大型结构复合材料的制造方法。

RTM成型技术的进化：

把批量生产、低压、低温、强化纤维体积分数、方向、位置设定自由等特征为研发的意向。

另外，因为补强材料、夹层芯材和嵌件一体成型的可行性，使船身等大型构件的成型成为可能。

ACM热成型体系：

由连续纤维增强热塑性树脂基体的ACM片材的成型法。

五：

发展趋势

当今世界碳纤维有如下发展趋势：

产品性能趋向于高性能化；低成本化，价格将从2006年约40美元/公斤大幅度降低；航天航空和文体用品领域用量稳定增加，民用工业用量增幅较大，已超过前两者。

特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，其价格将不断降低，民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋势。

目前，碳纤维的市场需求在北美、欧洲、亚洲基本上呈鼎足之势。

按应用领域划分，世界聚丙烯腈基碳纤维主要用于宇航、文体休闲用品、其它工业等领域，其总体消费比例分别为25.2%，31.4%，43.4%，不同地区各有侧重。

文体用品方面，目前碳纤维材料已从钓鱼竿和高尔夫球棒推广到网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、冰雪运动器材、水上运动器材等方面，需求量稳步、较快增长。

其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品、约占该类产品的80%。

一般产业对碳纤维材料的应用发展比较迅速，包括基础设施的修复、更新和加固；新能源开发如沿海油气田、深海油田的钻井平台、管道和缆绳等，以及风力发电机的螺旋桨和风叶；汽车的刹车系统、转动轴、车身以及环保汽车用的压缩天然气气瓶；电子领域的应用主要有通信、广播、地球观测、空间探测以及各种飞行器的高精度天线。

一般产业的需求增长较快，将成为碳纤维新的主要应用领域。

六：

世界碳纤维生产能力

目前，世界PAN基碳纤维占各种碳纤维材料的80%以上，日本东丽公司、东邦人造丝公司和三菱人造丝公司作为世界碳纤维生产的龙头企业，三者的总产能占了世界总产能的78%，其余由美国hexcel、英美的bpamoco和中国台湾的台塑三家分担。

世界小丝束碳纤维生产基本上被日本碳纤维生产厂家控制，主要是东丽（Toray）集团、东邦（Toho）集团和三菱（Mitsubishi）集团三大碳纤维生产企业。

2005年，三家生产能力分别为9100t/a，6300t/a和4700t/a，分别占世界总产能的35.1%，24.2%和18.1%，三家小丝束碳纤维生产能力占世界小丝束碳纤维总生产能力的77.5%。

2006-2008年世界碳纤维产能确实大幅增长，但是增长幅度小于预测值。

这是由于部分新建碳纤维项目没有顺利达产。

2005年后小丝束的增长是由于飞机制造和风电行业对碳纤维需求的增加。

世界大丝束碳纤维生产主要集中在美国、德国和日本，其产量大约是小丝束碳纤维产量的33%。

由于碳纤维在民用客机领域和风电领域的大规模应用，2005年以后，世界大丝束碳纤维生产能力大幅提升，到2008年时，世界大丝束碳纤维生产能力比2005年增长了近1倍。

预计随着碳纤维低成本化趋势和向民用领域和一般工业领域的发展，大丝束的生产能力还将继续呈增长趋势。

从2004年起，碳纤维市场突然紧缺，出现了供不应求局面，价格随之急剧上涨。

北美及欧洲是碳纤维的主要需求地，两地的需求量约占全球总需求量的2/3。

碳纤维需求扩大的背景包括两个方面：

一是越来越的民用飞机制造商将碳纤维作为机体材料；二是碳纤维在风力发电、液化气罐、自行车、体育用品等领域的用途正在逐渐扩大。

随着航空航天、体育休闲和工业应用对碳纤维的需求大幅度增加，全球碳纤维市场正以平均每年两位数的速度快速增长。

七：

中国PAN基碳纤维生产现状及趋势

“十五”期间，国家已批准在安徽蚌埠建立年产500吨PAN原丝和年产200吨/年PAN基碳纤维（T300）生产线，总投资过亿元，华皖碳纤维公司二期建设规模将使碳纤维产量翻一番达到400t/a，使我国碳纤维工业进入了产业化。

目前该项目一期工程正在进行设备安装，将于2005年初建成投产。

随后，一些厂家相继加入碳纤维生产行列。

还有扬州汇通碳纤维公司采用国产技术新建100吨原丝、40吨T-300PAN碳纤维，山东威海光威集团在目前的基础上计划新建2500吨原丝、1000吨碳纤维生产线，还有山东天泰碳纤维有限责任公司作为国家计委示范工程，引进全套国外先进碳纤维生产设备，自动化程度较高，年产可达400吨，产品以12K的T300级碳纤维为主。

依据中石化吉化研究院的信息，2006年我国主要PAN基碳纤维生产厂家约12家（5～800吨/年），合计产能约1310t/年，产品规格为1K、3K、6K、12K，但设备运转率很低，国内实际总产量只有40余吨/年（1K～12K），而且产品质量不太稳定，大多数达不到T300水平。

᳔大生产企业为吉化公司，生产能力100t/a；现有装置生产总能力号称300t/a，实际年产量不足100t。

可喜的是从2000年开始我国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。

目前利用自主技术研制的国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。

大连兴科碳纤维有限公司2003年形成年产800t碳纤维的生产能力。

这标志着我国碳纤维生产开始实现产业化和国产化，已可以替代同类进口产品。

兴科公司拥有的年产量800t的生产能力，已是当年我国᳔大的碳纤维生产企业，产品各项技术指标已达到国外同类产品（T300）先进水平。

随着全球CF市场及需求量的普遍看涨，国内还有十几家在建或拟建的CF项目，产能在1400～1600t/年左右。

据不完全统计，目前拟建和在建的碳纤维生产企业有11家，合计生产能力为原丝7100吨/年、碳纤维1560吨/年，其中在建企业为4家，合计生产能力为原丝1100吨/年、碳纤维470吨/年。

目前从事碳纤维行业的规模公司主要有华皖碳纤维公司、山西恒天纺织公司，现国内原丝生产规模约875吨/年，碳纤维生产规模约410吨/年。

随着我国经济的快速发展，碳纤维需求与日俱增，虽然国际上一些公司开始向我国出售T300级原丝，但数量有限而且价格昂贵，极大地制约我国碳纤维及其复合材料在国防建设中高科技技术的应用。

因此，自主研制生产高性能、高质量的PAN基碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，是我国碳纤维工业产业化发展亟待解决的问题。

目前，碳纤维已被列为国家产业化纤行业重点扶植的新产品，国内已有多家企业拟建或正在建设碳纤维生产装置，2006年安徽华皖集团的PAN基碳纤维项目的建成投产，填补了我国PAN基碳纤维工业化生产的空白。

尽管我国碳纤维生产发展缓慢，但消费量却与日俱增，市场需求旺盛，主要集中在文体用品和航空航天方面，一般产业需求增长也比较迅速。

近年来，随着市场需求的增加，特别是国防、军工、航天航空、体育用品方面的需求增加，每年主要依靠从国外进口碳纤维以满足要求，据统计1996-2002年国内碳纤维消费年均增长率超过20%，2007年国内的市场需求量约为3500t/a，主要依靠进口。

通过对国内市场需求进行广泛深入的调研发现，近几年体育和休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的年需求量迅速增长，从我国航空航天技术的发展来看，也急需高性能碳纤维及其复合材料。

国内碳纤维生产消耗状况与国际预测的情形基本一致。

此外，考虑到我国碳纤维的应用还在不断发展，许多用途还有待开发，如碳纤维在工程修补增强方面、飞机和汽车刹车片、汽车和其他机械零部件的应用以及电子设备套壳、集装箱、医疗器械、深海勘探和新能源的开发等方面都将是我国碳纤维未来的潜在消费市场，对碳纤维的需求量将更大。

因此，必须加快我国碳纤维制备技术的开发和规模化工业化生产的步伐，以缓解我国国防和工业对碳纤维需求紧缺和依靠进口的现状。

综上所述，中国位于欧洲、美国和日本之外的其它国家之列，国内PAN基碳纤维的消耗量远大于生产量，碳纤维的生产远远不能满足市场需求。

八：

国产碳纤维存在的主要问题

我国我国研制生产高性能碳纤维的技术有3项关键技术没有很好过关：

一是聚丙烯腈原丝；二是碳化工程化技术；三是表面处理技术。

虽然经过了一段时期的发展，但是与国外的技术水平还存在一定的差距。

（1）PAN原丝质量不过关，规格低。

国产PAN碳纤维原丝在生产过程中大部分采用民用腈纶原液，杂质含量较高，质量稳定性差，变异系数大，毛丝断头多，分纤性差以及油剂等问题，不能制得高质量的原丝。

（2）大部分国产碳纤维未经过表面处理，制成复合材料层间剪切强度偏低。

没有经过表面处理的国产碳纤维不能用作高性能要求的先进复合材料增强体，也不能在航空、航天等国防部门中用来制作主承力构件。

（3）尚未形成经济规模，价格太贵，成本组成不合理。

国产碳纤维目前售价太高，远比国外进口的价格要高。

我国碳纤维之所以价格昂贵，有很多不合理因素。

如成本结构存在问题，据我国某碳纤维厂对碳纤维成本的粗略统计，原丝费用约占碳纤维成本的25%，而车间费用约占碳纤维成本的44%。

（4）品种单一、规格单一，碳纤维来源大部分依赖于进口。

根据不同行业、不同产品、不同零部件的不同需求，希望能采用不同类别、不同品种、不同规格的碳纤维。

除了供结构材料使用的碳纤维，还希望有供功能材料使用的碳纤维，而我国目前碳纤维只有相当于T300的一个品种。

（5）PAN基碳纤维质量低。

国产PAN基碳纤维性能指标仅能达到或接近T300的水平，而国外T300以逐渐为强度高达4900MPa、模量高达320GPa的T700所取代，还发展了高强高模量的M-J系列碳纤维产品。

九：

中国碳纤维生产技术开发及应用

我国从事碳纤维生产技术研究的单位主要有中科院山西煤化所、上海合纤所、北京化工大学、山东工业大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等。

国家863项目带动了国产碳纤维产业化的发展，在PAN基碳纤维原丝技术上，进行了重点攻关，国内目前大多采用的技术是以DMSO为溶剂的间歇式溶液聚合、湿法（或干湿法）纺丝，产品以1K、3K为主，生产的原丝经氧化、碳化后强度、模量可以达到日本T300的水平，但是在纤维指标的离散性上差距还很大，特别是在12K纤维方面还没有产业化批量生产的装置。

完全成熟的成套千吨/年（12K计）T300碳纤维的12K原丝、碳纤维生产技术国内目前尚不具备。

国内在预氧化碳化工艺技术、工艺保障性控制方法、关键技术与装备方面亟待完善。

高性能原丝制备技术的开发可彻底改变我国碳纤维制备技术落后的不利局面，中科院长春应化所2002年初承担了吉林省科技发展计划重大项目—高性能T700聚丙烯腈碳纤维原丝的研制，经过3年多的努力取得突破性进展：

制得的聚丙烯腈共聚物结构新颖，已申报中国发明专利2项；确立了高性能碳纤维溶液的制备方法，且拥有自主知识产权，可获得以开发T700碳纤维原丝为目标的专业纺丝溶液；应用的干喷-湿纺技术和高温蒸汽牵伸技术适合于高强度碳纤维原丝的制备，可用于指导规模化生产。

T300碳纤维及原丝实现自主生产：

吉林石化公司和长春工业大学共同承担吉林省重点高科技攻关项目“T300碳纤维及原丝的稳定生产关键技术”研究任务，采用连续溶液聚合加一步湿法纺丝技术，不断优化工艺条件，获得圆形截面而且结构致密的PAN原丝产品，并在碳纤维的截面形态控制上取得了关键性技术创新。

该技术已在吉林石化公司实现了PAN原丝的小规模连续稳定性生产。

东华大学先后攻克了原丝关、工艺关、强度关、排废关，在原丝质量指标确定、稀纬带碳化技术，在有机和无机混合型催化体系、连续纯化工艺、空气介质低温热处理和两段排焦等工艺技术和装置方面取得了一系列原创性成果，成功研制出性能稳定，质量合格的航天级高纯粘胶基碳纤维。

该纤维具有高强度、低密度、高断裂应变、低热导率和耐烧蚀等优良特性，是特种防热层材料，广泛用于导弹防热层材料。

山东大学碳纤维工程技术研究中心承担的碳纤维增强橡胶复合材料及其应用研究和碳纤维复合发热体开发及其应用项目取得新进展。

该碳纤维增强橡胶复合材料已在管材、耐磨衬轮和特殊密封件等领域推广应用。

该新型加热体具有优良的热辐射性能和电热转换性能，电热元件寿命长，节能效果显著。

上海纺织科学院研制的碳纤维加固补强织物具有高强高效、耐久耐腐、质量轻等特点，可用于梁、柱、板、墙等补强，也可用于桥梁、隧道水坝等其他土木工程的加固。

江苏远东集团和美国一家高科技公司联合开发的新型碳纤维复合芯导线具有质量轻、强度大、耐高温、耐腐蚀、线损低、弛度小、与环境亲和等优点，可提高传输容量1倍，减少20%杆塔数，减少有色金属消耗，降低传输损耗。

十：

价格分析

在2003年之后全球碳纤维供给紧张的背景下，碳纤维的售价逐年上升，以民用碳纤维（T300、12K）为例，2003年之前的᳔低价格为10万元/吨，截至2005年，民用碳纤维（T300、12K）的销售价格上涨到了60万元/吨，个别公司的销售价格达到了80万元/吨。

自2004年以来，国际市场碳纤维价格已上涨超过100%。

而国内由于进口受限，加上关税，碳纤维价格比国际市场高出一倍以上，个别品种价格已涨到离谱的程度，如日本东丽的T300－3K碳纤维，国内正常时价格为800－900元/公斤，现在收购价格甚至达到4000－5000元/公斤，涨幅达400%。

据分析，在未来碳纤维供给难以满足需求的背景下，碳纤维的销售价格将保持景气上升，生产碳纤维的企业必将获得高额利润率。

根据目前丙烯腈1.3万元/吨的销售价格，我们可以大体测算出碳纤维原丝及碳纤维的生产成本，碳纤维原丝及碳纤维的生产成本分别为4.4万元/吨、18万元/吨。

目前国内军工级碳纤维（3-6K）的售价为200万元/吨，民用碳纤维（12K）的售价为55万元/吨，而碳纤维的生产成本为18万元/吨，如以民用碳纤维为例，其毛利为37万元/吨，即便加上3万吨的营业费用和33%的所得税率，民用碳纤维的净利润也用25万元/吨，如果考虑军品售价200万元/吨和33%的所得税减免，则其吨碳纤维的净利将会达到170万元/吨。

原丝的售价是40元～50元/公斤，碳纤维为200元/公斤，预浸料为500元/公斤，每一级的深加工都有高幅度的增值。