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碳纤维——轻量化应用或是突破口

时间:2016-08-18 浏览量: 字号:
 

  碳纤维已经从实验室走向广泛应用,全球碳纤维需求不断增长,国内碳纤维仍显落后,国家从“十二五”规划开始,就把发展碳纤维等新材料作为国家的战略产业发展。在国家政策和地方政府的支持下,许多碳纤维项目落地。碳纤维进一步扩大应用需求,可能将着眼于“空陆风”三大领域:1、航空航天;2、新一代汽车;3、风机叶片。


  1、碳纤维:新材料从实验室走向广泛应用的典型

  (一)碳纤维技术概览

  1、为什么碳纤维受热捧?——质轻、高强、稳定性好

碳纤维,是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维。它的强度比钢的大,密度比铝的小,比不锈钢还耐腐蚀,又能像铜那样导电,是一种具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料,被誉为“黑色黄金”。碳纤维与最近的明星材料石墨烯是“同一家族”,可以说,碳纤维是由无数微小的石墨烯片(纳米级别)按一定的取向堆积形成。这也解释了为什么碳纤维和石墨烯都具有许多类似的电、热、力学性质。


  2、碳纤维的分类有哪些?——主要是三类:制造原料、纤维数量、力学性能

碳纤维家族庞大,各种各样的碳纤维具有不同的特点,所以有多种分类方式。

  (1)按照碳纤维的制造原料分类,PAN基纤维是市场主流。

碳纤维主要分为聚丙烯腈基(PAN)碳纤维,沥青基碳纤维,黏胶基(纤维素)碳纤维。PAN基碳纤维。因为PAN基纤维制备方法较为简单,得到的产品抗弯抗压性能又非常优异,所以是目前碳纤维市场的主流,占90%以上。

  (2)按照纤维数量分类,大丝/小丝应用领域有所不同,小丝束价格昂贵

单根的碳纤维在机械强度上是达不到应用需求的。实际使用的碳纤维都是由若干根碳纤维丝集束而成的。1K就代表一束碳纤维中有1000根丝。通常把1K、3K、6K、12K和24K的碳纤维称为小丝束碳纤维,小丝束碳纤维主要应用于军工、航空领域,因此又被称为“宇航级”碳纤维。价格与大丝束碳纤维相比更加高昂。36K以上的碳纤维称为大丝束碳纤维,主要包括48K、60K、120K、180K、360K和480K。大丝束碳纤维目前主要应用于汽车、风力装置、一般工业等领域,因此被称为“工业级”碳纤维。

  (3)按照力学性能分类,T、M各不同

笼统来讲,碳纤维分为高强碳纤维、高模碳纤维,超高强碳纤维、超高模碳纤维。所谓高强,指的是较高的拉伸强度。拉伸强度越大,碳纤维越难被拉断。高模,指的是较高的拉伸模量,拉伸模量越大,碳纤维越刚性,“宁折不弯”。但是在实际使用中,大家通常使用碳纤维世界龙头企业——日本东丽(TORAY)的产品编号,如T300、T800、T1000、M55等来对应不同性能的碳纤维。因为这些型号是Toray公司当初按照强度下去分的,所以碳纤强度T300<T600<T700<T800<T1000,模量M30<M40<M46<M50<M60<M65。


  3、中外技术差距有多大?——高性能碳纤维以日企为标杆,国内仍在T300/T700水平

  目前高强度、高模量的碳纤维基本被日美企业垄断。原因是碳纤维制备工艺复杂,工艺参数需要大量精力和金钱摸索,容易形成垄断。国内目前仍在T300,T700的水平,更高质量的碳纤维仍无法大规模生产。

  (二)碳纤维制备工艺和生产设备极大的影响碳纤维质量

碳纤维的制备工艺流程复杂,涉及工艺参数较多,积累这些参数往往需要几年的周期。并且碳纤维生产设备的技术壁垒较高,国外领头企业对生产设备实施封锁禁售。这也是目前我国高性能碳纤维生产难以实现的根本原因。

  目前主流的碳纤维是PAN基碳纤维,所以本文就以PAN基碳纤维为例介绍碳纤维的制备流程:

  (1)丙烯腈单体制备

丙烯腈是大宗基本有机化工原料,主要通过丙烯氨化氧化过程得到,是制备聚丙烯纤维的重要单体。其纯度与质量直接影响合成碳纤维原丝的质量。

  (2)聚合反应形成聚丙烯腈

  丙烯腈单体聚合生产聚丙烯腈是极为重要的步骤。聚合反应过程的快慢、原料在反应釜中的分布、反应温度控制等都影响得到的聚丙烯腈的质量。

  (3)通过喷丝技术形成聚丙烯腈原丝

  将聚丙烯腈溶于溶剂,再将聚丙烯腈与溶剂混合物通过类似淋浴似的喷丝头喷出来,形成聚丙烯腈原丝。再生产过程中,会在原丝前端施加牵引力,将原丝变细变致密。在这个环节中,溶剂的选择以及牵引力大小、牵引速度都是重要的工艺参数。并且工艺参数的精确程度与生产设备密切相关。

  (4)预氧化原丝形成预氧丝

对于原丝——聚丙烯腈纤维,由于是一维的线性大分子链,所以难热性差。通过预氧化过程(200~300℃)可以将其转化成二维梯形结构的大分子链,这样才能经受后续的更高温度处理。这里涉及一个重要的设备——预氧化炉。预氧化炉的温度梯度控制、送风排风控制以及原丝的牵引控制都是预氧化过程影响碳纤维质量的重要因素。

  (5)预氧丝经过碳化处理或者进一步石墨化处理,得到初步碳纤维

  所谓碳化过程,就是让预氧化过的PAN纤维在高温下裂解,逸出氢、氧、氮等小分子,最后留下碳元素的过程。通常温度在1000~2000℃。此时得到的碳纤维内部碳原子是杂乱无章排列的。其强度和模量都不是最优。所以根据产品需要,后续还可以增加石墨化过程。石墨化就是碳材料内部碳原子在更高温度下(2000~3000℃)进行重新排列,慢慢趋向于完美六元网格的一个过程。此时的碳纤维的强度与模量都有显著提升。预氧化技术和石墨化技术是制备高性能碳纤维的关键步骤,目前国产预氧化炉和石墨化炉的质量与国外先进水平差距较大,在预氧化和石墨化环节突破生产技术和生产设备的屏障是我国碳纤维发展的重要方向。

  (6)对碳纤维表面处理

  经历碳化过程或者石墨化过程的PAN纤维已经成为碳纤维。但这种碳纤维并不是所需的终端产品。通常碳纤维都会与树脂、金属、陶瓷等基体复合,形成功能多样的碳纤维复合材料。碳纤维复合材料才是工业、航天、汽车等领域所需的使用材料。简单的类比来说,碳纤维如同钢筋,而基体如同水泥,钢筋与水泥的组合才是房屋的构筑材料。

  而对碳纤维表面处理是为了增大纤维的比表面积,增强纤维表面的化学活性,从而让后续的基体与碳纤维能够紧密的结合,结合界面的好坏直接影响碳纤维复合材料的性能。

  (7)碳纤维上浆处理

  在生产过程中,由于机械摩擦,碳纤维表面容易起毛,或者出现单丝断裂等现象,这样会影响碳纤维的强度。并且,毛丝的出现也影响碳纤维与基体的结合。所以会在碳纤维表面再涂一层有机物保护层,减少碳纤维起毛断丝的现象。

  (8)得到碳纤维加工成碳纤维复合材料

  如上文所提,碳纤维并不会直接进入应用领域,而是使用树脂、金属、陶瓷等材料作为基体与之复合,形成强度、模量等综合指标合格的结构材料,即碳纤维复合材料。目前使用最多、最广泛的是树脂基复合材料(CFRP),人们也不断探索碳纤维加工成CFRP的方法,如树脂传递模塑(RTM)、注射成型、拉挤成型等,这里不多做介绍。

  2、碳纤维市场规模巨大,主要看好“空陆风”

  (一)全球碳纤维产能不断提升

  随着碳纤维在大型飞机、风力发电、汽车工业等领域的需求不断扩大,全球各大碳纤维生产企业都扩大了生产规模。

  (二)日美企业在市场份额上占绝对优势

  从市场份额来看,2014年全球碳纤维市场需求53.5千吨,约占总产能的41%。预测碳纤维需求将以10%左右的速度增长,在2015年达到59千吨。目前,绝大多数的市场份额被美日企业瓜分。在小丝束市场,日本三家企业东丽、东邦、三菱占市场54%的份额,紧随其后的是美国Hexcel,台湾台塑等。在大丝束市场,美国的Hexcel与美国SGL公司占全球份额的73%,处于主导地位。

  (三)国内碳纤维已完成从无到有,发展较快

随着国家政策支持力度的不断增大及市场需求的日益增长,我国碳纤维技术和产业化水平显著提高。在过去20年实现了从无到有的突破。目前,国内大小碳纤维生产企业近40家,国产碳纤维总产能达到1.5万吨。其中,T300级碳纤维性能达到国际水平,已进入产业化发展阶段;T700级碳纤维已建成千吨级生产线,产品进入应用考核阶段,低成本干喷湿纺T700级碳纤维已经实现规模化生产;T800级碳纤维吨级线建成并已实现批量生产。但高模高强的高等级碳纤维的制备技术仍与国际碳纤维企业有较大差距。

  (四)政策大力支持,碳纤维受热捧

  1、日本政府大力推动,碳纤维产业联盟可持续发展

  我国碳纤维的发展并不晚,不过遗憾的是,从20世纪70年代中期开始经过近40年发展,我国的碳纤维产业仍无法与日本公司在市场上正面竞争。原因之一是日本在政策支持力度。日本政府高度重视高性能PAN基碳纤维相关技术的研发,并给予人力、经费上的大力支持,包括在“能源基本计划”、“经济成长战略大纲”和“京都议定书”“节省能源技术研究开发方案”等基本政策红将碳纤维作为战略产业发展。

其次是成立产业联盟。日本在碳纤维领域的领先地位,与日本碳纤维产业联盟密切相关。日本较早形成了产业联盟,联盟成员覆盖了整个碳纤维产业链,形成联盟内的共同优势,加快碳纤维技术开发速度,为技术的开发和商业化提供了更好的环境。

  2、国内碳纤维国家重点扶持,将加速发展

  国家从“十二五”规划开始,就把发展碳纤维等新材料作为国家的战略产业发展。在国家政策和地方政府的支持下,许多碳纤维项目落地。在“十三五”期间,企业的自主创新能力、高性能碳纤维的生产设备与制备工艺依然是国家重点扶持的方向,也是国内碳纤维企业需要重点攻关的方向。

  (五)碳纤维应用前景:最看好“空陆风”

  20世纪60年代到70年代,碳纤维走出实验室,在火箭与太空飞船等军事领域有少量应用,那时碳纤维制备成本高昂,下游需求很少,与目前的石墨烯行业十分类似。随着研究的深入和制备成本的降低,碳纤维逐渐应用于运动器材等领域。在20世纪末,碳纤维开始大规模应用于飞机、汽车制造,极大的推动了碳纤维产业的成熟与发展。时至今日,全球碳纤维产量超过5万吨,平均成本低于5美元每磅。据美国AJR顾问公司预测,碳纤维全球销售额将由2011年的16亿美元增长至2020年的45亿美元,碳纤维复合材料将从 2011年的161亿美元增长至2020年的487亿美元。

碳纤维及复合材料最早进入民用领域是体育休闲用品。主要应用是自行车、钓鱼竿、高尔夫球杆和网球拍等等体育用品。据调研,目前全球体育休闲市场对碳纤维的需求占总需求的16%,但这一部分需求已经接近饱和。预计到2020年这一比例将降低到5%。航空航天已经工业应用将占95%以上的需求。其中工业需求中,预计汽车与风机叶片将大幅增长,带动全球碳纤维产业的发展。


  1、高性能碳纤维逐渐进入民用航空领域

随着对飞机飞行时间和可靠性的更高要求,碳纤维逐渐走进飞机结构材领域,挑战铝合金的统一地位。据报道,商用飞机每减重一公斤,一年就能节约3000美元的燃料。远程火箭、太空飞船每减重一公斤,就能节约10,000美元的燃料。统计显示,目前碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已经在70~80%,在军用飞机上占30~40%,在大型客机上占10~50%。2014年CCeV统计数据显示,航空航天市场所需碳纤维在数量占比29%,但是总市场金额占到了48%,说明该领域使用的多是高价值的碳纤维。

空中客车公司的A380飞机的主要结构中,22%采用了碳纤维复合材料,飞机尾翼和最大直径超过6米的后机身都是由碳纤维复合材料制造。这些碳纤维复合材料由Hexcel公司和Cytec公司提供。专家称,对于同样的强度,碳纤维复合材料要比相同的金属结构轻15%到25%。例如A380的中心翼盒比相同的铝制材料轻3吨左右,按估算每年可以节省900万美元的燃油费。空客公司的A350XWB飞机使用碳纤维复合材料的比例高达53%,主要使用在机身壁板、龙骨梁、机翼和尾翼等,据估计每架飞机的碳纤维复合材料用量超过400万美元。而提供这些碳纤维复合材料的依然是Hexcel公司。

波音公司在2007年推出的787飞机,碳纤维复合材料占比也超过了50%。一架飞机使用超过30吨的碳纤维复合材料,实际碳纤维用量超过20吨。波音公司称,复合材料的使用可以节省燃料费用约20%。这碳纤维复合材料的供应商是日本东丽公司。东丽除向现有的中大型飞机“787”之外,还将向最早于2020年投入使用的777X供应主机翼用碳纤维复合材料。


  2、汽车轻量化跟碳纤维发展带来新机遇

新一代汽车的发展方向是保证安全性的同时轻量化。碳纤维密度比碳钢、铝合金低,强度与模量都超过钢材,因此采用碳纤维复合材料是最有效的办法。据统计,在2013年碳纤维复合材料在汽车领域产值约10亿美元,预计2020年产值达到60亿美元。国外的各大主要汽车厂家都在积极部署碳纤维及碳纤维复合材料在新一代汽车上的应用。

由于目前碳纤维复合材料成本较高,所以主要使用在顶级跑车与豪华汽车市场。许多厂商推出了全碳纤维复合材料覆盖的概念车。例如法拉利推出的LaFerrari,兰博基尼Aventador,保时捷918 spyder,布加迪威龙等,都使用100%全碳纤维复合材料包覆,不但极大的减轻了车身质量,并且在外观造型上更具质感。但是超级跑车与豪华汽车与一般汽车相比,产量较小,虽然在全车的使用比例较大,但不会对碳纤维需求带来显著提升。


  2013年,宝马与SGL公司合作,推出了采用大量碳纤维复合材料打造的i3纯电动汽车产品。宝马i3全重1224kg,成员座舱模块由全碳纤维复合材料打造,比铝合金设计轻300kg左右。整个车体重量的减轻提高了电动汽车的续航能力。随后宝马公司在i7、M系列也大量的采用了碳纤维复合材。碳纤维已经成为宝马未来汽车轻量化的发展重点。据统计,到2020年,碳纤维在汽车上的需求将由2013年的2600吨猛增到23000吨,将与航空航天应用持平。这充分表明了碳纤维产业在汽车轻量化方面有很大的市场空间。

尽管碳纤维复合材料在汽车产业的应用极具前景,它仍需要解决成本和制备工艺的问题:碳纤维的成本在20到30美元每公斤,是传统钢材的20倍,是铝材的10倍左右;制备耗时较长,冲压一个金属部件可能需要1分钟左右,而碳纤维复合材料可能需要几个小时;碳纤维复合材料还无法像金属材料那样易于回收;碳纤维复合材料是新型材料,如何设计材料参数与结构依然处于探索阶段,经验上没有传统材料成熟。


  3、大功率、大尺寸风力叶片将是碳纤维未来的主要市场之一

碳纤维与传统制作风机叶片的玻璃纤维相比,重量减轻30%,强度大40%,模量提高3到8倍,是目前大型风机叶片的发展方向。在目前化石燃料价格存在巨大波动的背景下,风电安装成本低廉的优势日渐凸显,风电正在快速成为成熟的技术。根据全球风能理事会数据,2014年全球风电新增装机容量达到51,477MW,其中中国占45%以上。全球累计装机总量369,553MW,中国装机量占31%,居世界首位。风机组也正朝着大型化发展,风机叶片越来越长,功率越来越大。韩国南方电力公司和三星重工2013年建设的风电组,最长的风机直径达到171.2米,单个叶片长度达到83.5米。这对叶片材料的强度和刚度有了更高的要求。

使用碳纤维代替传统的玻璃纤维制作风力叶片可以在提高叶片刚度的同时降低叶片质量,提高了风机的输出功率。并且碳纤维叶片的抗疲劳性能更优越,本身导电的性能也能避免叶片在特殊气候的腐蚀和雷击。


  3、国内碳纤维企业初具规模,技术核心决定市场前景

  (一)产业链成熟,下游应用是扩大市场的关键

  碳纤维产业链主要包括丙烯腈、原丝、碳纤维、中间材料、复合材料和下游应用6个环节。

  1、上游:丙烯腈供应充足,原丝与碳纤维生产设备与技术是碳纤维产业的核心

PAN基碳纤维占90%以上的碳纤维市场,其主要原料是丙烯腈。从2014年7月至今,丙烯腈价格不断下调,从14000元每吨下调至8000元每吨。从丙烯腈价格来看,丙烯腈作为碳纤维原料供应较充足。原丝与碳纤维的制备依然是产业链的核心,其中原丝在碳纤维制备中占成本的53%。另外值得一提的是,制备原丝和碳纤维的生产设备也是上游极为重要的环节。通常国际碳纤维生产企业如东丽、Hexcel等都自己设计制备生产设备并对外保密,所以生产设备也是碳纤维上游的核心技术,国内碳纤维企业一旦有重大突破,将会带来碳纤维上游产业格局的变化。


  2、中游:碳纤维中间产品及复合材料是碳纤维与实际应用之间的重要桥梁

碳纤维产业链的中游是碳纤维中间产品与复合材料制备企业。中间产品主要指碳纤维预浸料和碳纤维布等,是碳纤维用于复合材料之前的重要桥梁,中间产品可以提高碳纤维附加产值,降低碳纤维行情波动对企业带来的影响。复合材料是将预浸料进行层压、缠绕等加热固化得到的材料,碳纤维增强树脂复合材料约占90%以上的市场份额。


  3、下游:碳纤维应用材料

碳纤维产品性能优异,在下游有广泛的应用前景,如航空、风能、汽车、体育休闲等领域。目前碳纤维在还处于市场推广期,碳纤维的引入能否提高下游企业的产品竞争力是拓展碳纤维下游应用的关键因素。


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