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        碳纤维及其复合材料国内外产业及科研发展分析

        来源:陕西省工业和信息化厅 浏览次数: 日期:2019年12月11日 08:47

            碳纤维是含碳量高于95%的无机高分子纤维,具有低密度、高强度、耐高温、高化学稳定性、抗疲劳、耐磨擦等优异的物理及化学性能,良好的导电导热、电磁屏蔽性能以及较低的热膨胀系数。以碳纤维作为增强材料的先进复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性强、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳和热膨胀系数小等一系列的优异性能。碳纤维及其复合材料优异的性能使其被广泛应用于航空航天、轨道交通、车辆制造、武器装备、工程机械、基础设施建设、海洋工程、石油工程、风力能源、体育用品等领域。

            目前全球最大的碳纤维及复合材料供应商主要集中在日本,日本碳纤维产业水平居全球第一,主要领头企业为日本东丽公司、帝人公司和三菱化学。2018年3 月28日,日本东丽公司宣布推出新碳纤维复合材料成型工艺——CFRP (CarbonFiber Reinforced Plastics)新型真空压力成型工艺,该技术在提高部件尺寸精度的同时,还能降低生产过程中的能耗。2018年11月1 日,日本东丽公司宣布开发出新型的TORAYCAMX 系列碳纤维,同时具有高拉伸强度和拉伸模量。美国是继日本之后掌握碳纤维生产技术的少数几个发达国家之一,是碳纤维及复合材料的应用大国。

            目前我国高性能碳纤维材料产业发展势头迅猛,针对市场主要为航空航天领域,同时着力瞄准新能源市场,包括风力发电、压力容器(储氢罐),以及潜在的新型汽车轻量化材料市场。但我国的碳纤维材料产品大多仍处在试运行、少量装机等阶段,与下游产业的合作仍需加强。应用端开发不充分也导致了大量碳纤维生产企业产能虚高,企业运营压力较大。2018年,我国各大碳纤维企业陆续在碳纤维及复合材料相关技术和产能方面取得突破。2018年9月,中国新一代全碳纤维复合材料地铁车体全球发布,采用碳纤维增强复合材料技术,与钢、铝合金等传统金属材料相比,新一代碳纤维地铁车辆的车体、司机室、设备舱分别减重 30%以上,转向架构架减重40%,整车减重13%;2018年8月17日,吉林化纤自主研发的48K大丝束碳纤维原丝顺利通过碳化并持续批量生产。碳化效果远超预期,各项指标均超过了日本东丽T300水平,是继24K碳纤维成功市场化后的又一碳纤维新产品。

            碳纤维领域研发成果不断涌现,大部分突破性成果来自日本和美国。最新前沿技术不仅聚焦于碳纤维生产制备技术,也投射于汽车材料轻量化、3D打印、发电材料等更广泛领域的应用。另外,碳纤维材料的回收循环利用、木质素基碳纤维制备等方面也取得一系列成果。日本非常重视碳纤维技术的发展,企业、政府、高校积极合作推进碳纤维技术研发。2013年,日本在“未来开拓研究计划”框架之下,推进“革新性新结构材料等技术开发”;日本早稻田大学的细井厚志副教授等人研发出碳纤维塑料(CFRP)与铝轻质材料连接的新技术。在铝表面制造针状微小突起,加热溶解后的 CFRP 容易进入微小的突起间隔。它有助于减轻汽车和电子设备的重量,预计3年后实现商业化。美国也持续开启了多次碳纤维研究项目。国防预研局(DARPA)在 2006 年启动先进结构纤维项目;2019年1 月,美国佐治亚理工学院的 Satich Kumar 团队采用聚丙烯腈(PAN)纤维为原料,成功制备了质量分数超过 40%的纳米微晶纤维素(CNC)碳纤维。PAN/CNC基碳纤维的拉伸强度在 1.8GPa~2.3GPa 范围内,拉伸模量在 220GPa~265GPa 范围内。

            通过国家973项目的支持,我国目前在科学与技术基础领域已经取得了相应的突破,就关键技术而言,主要包括低缺陷均质原丝的制备技术、预氧化环结构调控技术、碳化过程微晶生长控制技术、各单元匹配协同技术,以及装备制造技术、产业化集成技术等。2019年1月22 日,中国科学院山西煤炭化学研究所研究员张寿春团队围绕T1000级超高强碳纤维制备,承担了中国科学院重点部署项目,已通过中科院组织的专家验收。

            国际高性能纤维及复合材料市场正在迎来空前的发展期,我国已在关键技术、装备、产业化生产以及下游应用领域取得了重大进展,未来我国会继续通过高性能纤维及复合材料等关键材料和技术的自主研发、产业上的联动突破,逐步实现从根本上摆脱高性能纤维受到的限制,实现进口替代,形成产业优势。

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