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碳纤维行业深度报告:下游应用领域广阔,国内增长空间巨大
时间:2020年08月28日 来源:本站原创  作者:佚名 浏览次数:

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碳纤维百年发展史:美日欧技术从 0 到 1,长期迭代打造高壁垒

    碳纤维(Carbon Fiber)是由有机纤维在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构的无机纤维,含碳量高于 90%,具有目前其他任何材料无可比拟的高比强度和高比刚度,还具有低比重、 耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等特性,被誉为“新材料之王”,广泛应用于国防 工业以及高性能民用领域,主要包括——航空航天、海洋工程、新能源装备、工程机械、 交通设施等,是一种国家亟需、应用前景广阔的战略性新材料。

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2 烯腈(PAN)基碳纤维的制备与应用

      完整的碳纤维产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。我们以目前主流碳纤维-聚丙烯腈(PAN)基碳纤维为例,其制备方法如下:从石油、 煤炭、天然气均可以得到丙烯,丙烯经氨氧化后得到丙烯腈,丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈(PAN)原丝,原丝经过整理后,送入氧化炉制得预氧化纤维(俗称预氧丝),预氧丝进入碳化炉制得碳纤维,碳纤维经表面处理、上浆即可得到碳纤维产品。在制备碳纤维的同时还可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料,作为生产碳纤维复合材料的原材料;碳纤维经与树脂、陶瓷等材料结合,形成碳纤维复合材料,最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。

3  沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维与聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的比较


      三种碳纤维在生产工艺上较为类似。在生产工艺上,沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维与聚丙烯腈(PAN)基碳纤维较为类似,都经历了由原丝——预氧化——碳化的过程, 主要区别在于前处理工序上:聚丙烯腈(PAN)原丝通过丙烯腈的聚合反应再经过纺丝可以得到,沥青纤维可以通过原料沥青的缩聚反应和纺丝工艺制备,粘胶基碳纤维较其他两种碳纤维多了水洗和催化浸渍的步骤。

     三种碳纤维在性能上各有所长。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温等一系 列优异的性能,三种原丝制造的碳纤维具有一定的通性,但在具体的性能上各有所长。相对而言,聚丙烯腈基碳纤维具有更强的综合性,也是目前的主流碳纤维,其中最突 出的优势是力学强度与弹性模量;聚丙烯腈基碳纤维的主要不足在于生产过程中影 响因素较多,小丝束性能优越但生产价格过高,这在一定程度上制约了聚丙烯腈基碳 纤维的发展。粘胶基碳纤维具有更显著的轻量效果、导热系数小、碱土金属含量低、 生物相容性好等特点;主要不足是由于实际生产中操作条件难以控制,会生成左旋葡 萄糖等副产物造成实际碳收率较低, 碳纤维强度不理想,此外还存在整体性能相对较差、工艺条件苛刻、生产成本较高等问题。沥青基碳纤维具有低热膨胀、耐磨耐疲 劳、广泛的弹性模量、导热性好等特点,但目前国内在沥青基碳纤维方面的研发水平 较国外还有很大差距,高性能沥青基碳纤维还处于研发阶段,产品的稳定性和设备的 合理性还需要经过长期的技术积累。

4 中国碳纤维生产技术目前的发展情况


      2019年中国碳纤维的总需求为:37,840吨,对比2018年的31,000吨,同比增长了22%,其中,进口量为25,840吨(占总需求的68%,比2018增长了17.5%),国产纤维供应量进步,国产碳纤维产能逐步释放,连续两年超过30%的高速增长,替代趋势明显预计在2025年前后,国产碳纤维在中国市场占比有望超过进口。这种国产占有率的大幅度增长与国内碳纤维制造技术和相关应用技术的进步密不可分。

技术相继突破,国产碳纤维相继投产 :

       中国小丝束碳纤维材料发展始于军用,目前航空航天为重要应用领域。碳纤维复合材料是大型整体化结构的理想材料。与常规材料相比,碳纤维复合材料可使飞机减重 20%-40%,并有能力克服金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点,增强了飞机的耐用性;复合材料的良好成型性可以使结构设计成本和制造成本大幅度降低。在军用航空领域得到了广泛应用和快速发展,碳纤维复材渗透率不断上升。

      近几年来,中国T700与T800级军用碳纤维材料生产技术逐渐成熟。比如中复神鹰公司旗下投产的T700生产线是目前世界上第三个采用干喷湿纺工艺体系的商业化生产线, 2014年获得中国建筑材料集团有限公司科学技术奖进步类一等奖,具有重要的战略意义。中复神鹰的这套湿纺法系统,包括适用于干喷湿纺的均质化聚合系统、低扰度空气层纤维成型系统以及高速高倍蒸汽牵伸系统。项目自主开发设计了快速换热的全混式60立方米聚合釜、干喷湿纺纤维成型装备、蒸汽牵伸装备、全套碳化关键装备以及高效溶剂回收和废气处理系统。目前国产T700已经成功应用于风力叶片、电缆复合芯、压力容器和交通运输等新兴工业领域,并初步用于某航空机型和某航天设备。

       目前,碳纤维的主要应用领域有航空航天、汽车制造、体育休闲、建筑和工业机械、风电叶片、压力容器等领域。其中航空航天为最大的碳纤维应用市场,此外,受风电装机产能增长、国家氢能源项目推进落地、新能源汽车渗透率不断增高等因素影响,风电、压力容器、汽车用碳纤维市场将迎来发展良机。

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