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碳纤维: 轻量化应用前景广阔的特种纤维
时间:2020年10月30日 来源:复合材料体验馆  作者:佚名 浏览次数:

碳纤维: 轻量化应用前景广阔的特种纤维

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  碳纤维是一种碳含量在90%以上的高强度高模量纤维材料,耐高温性能居所有化纤之首。

 

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      碳纤维复合材料是由碳纤维与金属、陶瓷、树脂等基体制作而成。碳纤维属于复杂技术产业的典型代表,通过不同的制作工艺得到的产品也差异巨大。上游原材料的要求高,中间过程产出复杂,需要大量稳定的核心机械设备。

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      按原材料的不同,碳纤维可分为三类。世界上能够达到工业规模化生产的主要有聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和黏胶基碳纤维三种,其中PAN基碳纤维占据绝对主要地位,份额达 90%以上,其次是沥青基碳纤维约占 6-8%, 黏胶基碳纤维产量最低。产业中最早开发的是黏胶基碳纤维,该类纤维强力较低,主要应用于耐烧蚀材料及隔热材料。沥青基碳纤维弹性模量好,热膨胀系数小、热导率高、但抗拉强度和抗压强度低,且沥青的提取成本较高。PAN综合性能最好,价格适中,生产难度较沥青更低,品种多,是全球碳纤维市场的主流产品。

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    根据应用领域的不同,碳纤维按照丝束大小通常可以分为大丝束碳纤维和小丝束碳纤维。大丝束碳纤维虽然过去就有生产,但是由于其抗拉强度不高,与小丝束有较大差距,所以大丝束碳纤维一直没有得到重视,也没有被广泛应用。直至近年来, 大丝束碳纤维性能提升,价格优势更加明显,在工业领域里具有更强的竞争力。

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      碳纤维制造过程核心是将通过纺丝过程获得的原丝经过一系列高温热处理工程转变为碳纤维的过程。

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      PAN原丝是制造碳纤维的原材料,原丝的性能很大程度可以决定碳纤维的性能。PAN聚合溶液制备通常是丙烯腈在二甲基亚砜(DMSO)中聚合,经脱单脱泡后过滤,用于PAN原丝制备。基于聚合装备和技术传统,国内大部分碳纤维生产厂家采用该法,结合间歇或半连续聚合工艺流程。间歇聚合即聚合主题过程在独立设备和时段内一次完成,进出料均为间歇过程,严格按批次操作。
       加工处理原丝是碳纤维生产至关重要的环节,在整个制备过程中,高温处理设备最为关键核心,设备的稳定性直接关系到生产链的运转能力和产品性能。

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   大丝束碳纤维复合材料具有更大的市场。企业选择大丝束品种重要的目标是追求低成本和大规模工业应用,工业用碳纤维方面对碳纤维的价格更加敏感,而对碳纤维的性能要求不像航空航天和军工要求那么高,因此,从产业升级和经济学的角度来看,大丝束碳纤维复合材料具有更大的市场。虽然大部分龙头企业已投入大量资金积极研发创新大丝束纤维,但由于我国整体起步较晚,产品与国外有较大差距,产业链不完备,基础薄弱,技术相对落后,开展大规模工业化生产还存在较多技术难题。
(1)技术标准和性能测试缺失:性能测试与表征方法还是空白,缺少了准确的检验检测数据支撑,给研发和生产增加了难度。
(2)新型碳纤维前驱体化合物的开发难题:PAN的化工合成和PAN纤维的纺丝上游原丝技术不过关,国内企业在高端原丝自主研发方面实力差,还处于第二阶段,而国外龙头公司的高端原丝研发已进入第三阶段,产品差异化明显, 具有产品优势。
       国际研究表明,在预氧化过程中牵伸比为1.1-1.3的碳纤维性能最好,而牵伸比较低时,所得预碳化纤维的取向度以及致密性不充分,会导致碳纤维的股拉伸弹性模量降低。石墨化过程同理,牵伸比在1-1.05时,碳纤维性能最好。

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(3)在原丝制备过程中,湿法纺丝是极为重要的核心环节。衡量湿纺纺丝工艺的着重点是考察制备过程中的条件均一性,环境干扰容易造成碳纤维的内部缺陷和性能下降。

       展纱技术高标准严要求:生产过程中丝束难以延展成平带,单丝厚度增加, 不利于铺层设计,容易出现粘连、 断丝现象,影响生产效率和产品外观,材料性能得不到有效转换,产品性能不稳定。
       碳化结构形成机理及制备技术受限:从PAN基到碳纤维需高效的设备处理, 主要是指提“束”(大丝束)与提“速”(高速)。涉及增产的边际效益以及规模经济。预氧化过程在一定温度梯度的热环境下,对原丝进行较长时间热处理,使其成为具有热稳定性结构的纤维。

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      2019年全球碳纤维市场,航空航天、体育器材、汽车、建筑补强、模塑混配等经典大需求端稳步发展,风电、压力容器等新兴领域将成为又一个驱动市场的重要引擎。全球下游需求中,风电和航空航天占比接近一半,其次是体育休闲和汽车市场。下游需求产值来看,2019 年全球碳纤维销售金额为28.7亿美元,同比增速为11.6%,其中航空航天下游产值占比近50%,风电叶片虽然需求量大,但是单价低,产值占比较低,仅为12%。

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    中国碳纤维总需求已从2008年的8.2千吨,增长到2019年的34.7千吨,CAGR为14.01%,高于全球平均水平。2019年中国碳纤维总需求占全球总需求34%,预计 2020年中国总需求将达到38.94千吨。当前国内碳纤维仍严重依赖进口,2019年国内产量为1.2 万吨,仅占到总需求量的31.7%,但是国内产量已经连续两年增速超过30%,预计在2025年国内产量将超过进口量。

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     中国碳纤维需求结构和全球范围内差距较大,体育用品需求占比最高达到37%, 其次是风电叶片占比为36.5%,航空航天领域需求占比仅为3.7%,远低于全球范围内23%的占比。
       国内碳纤维进口依存度仍在70%左右,国内进口主要源自日本、美国等龙头企业,分别占总需求量的20.3%、7.3%,总和接近总需求的3成。其中日本及其韩国公司主要供给小丝束碳纤维,优越的核心技术和品牌效应帮助企业牢牢稳固在全球市场前茅。2019年中国的小丝束市场容量大约有18000吨,其中国产7000吨。在大丝束是市场方面,以美国为首,墨西哥匈牙利为辅建立的卓尔泰克体系提供了大约6000吨规模的体量,土耳其的1324吨主要也集中在大丝束市场。国内市场需求大丝束市场大约有14000吨,其中国产1000吨, 几乎90%以上是进口需求。

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    国内航空航天碳纤维领域处于起步阶段,2019年国内需求量仅为3700吨,占到国内总需求的3.7%。国产飞机正处研发关键阶段,碳纤维行业亟待扩大生产力。航空领域应用包括军机和民机两个市场。该市场的特点是产品主要采用热压罐成型(占90以上),低成本的设计技术与制造工艺是发展趋势,也是碳纤维在航空航天领域扩大应用的驱动力。

      风电市场发展空间巨大,成为碳纤维市场新增量。过去10年风电度电成本的降低从根本上改变了其竞争地位。在过去5年中,风电的成本平均下降了50%以上,仅在2018至2019年期间,新建海上风电的价格就下降了三分之一。随着过去几年内风电成本的大幅下降,技术不断进步,2019年全球市场的风电 新增装机容量为60.4GW,较2018年新增19%,成为史上新增比例第二的年份。

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    国内航空航天碳纤维领域处于起步阶段,2019年国内需求量仅为3700吨,占到国内总需求的3.7%。国产飞机正处研发关键阶段,碳纤维行业亟待扩大生产力。航空领域应用包括军机和民机两个市场。该市场的特点是产品主要采用热压罐成型(占90以上),低成本的设计技术与制造工艺是发展趋势,也是碳纤维在航空航天领域扩大应用的驱动力。

      风电市场发展空间巨大,成为碳纤维市场新增量。过去10年风电度电成本的降低从根本上改变了其竞争地位。在过去5年中,风电的成本平均下降了50%以上,仅在2018至2019年期间,新建海上风电的价格就下降了三分之一。随着过去几年内风电成本的大幅下降,技术不断进步,2019年全球市场的风电 新增装机容量为60.4GW,较2018年新增19%,成为史上新增比例第二的年份。

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    休闲领域是碳纤维最早应用的领域之一。碳纤维复合材料质量轻、比强度和比模量高、疲劳强度大、阻尼性能好,相比其他工业,碳纤维的破损安全性 能好,设计自由度大,作为体育器材不会伤害人体,并能最大限度地发挥使用效果。2019年全球体育领域的碳纤维复合材料需求达到15千吨,占总需求的14%,相比2013年的9千吨增长了66.67%。体育应用领域进入发展爬坡期,企业转 化为控制成本端以提高利润的战略思路,市场趋于饱和,碳纤维单价较稳定。

      在2019年,全世界产能增速较前几年有所下滑,预计本年全球运行产能为154.9千吨。这是由于世界龙头企业的扩产计划纷纷在2018年或者2019年年中达成,符合上升企业的发展规律,例如卓尔泰克在匈牙利增产5000吨的计划以及美国龙头企业赫氏公司的扩产计划均在今年达成。

       从全球产能分区域份额图来看,美国、日本依旧领跑全球,在行业中占据举足轻重的地位。大陆地区紧随其后,达到17.3%左右的份额。世界碳纤维份额的竞争,充分反映该区域的综合投资水平。美国地区综合投资环境较好,地广人 稀,具有生产要素优势,产业链生态完备,其主要困境在于人工,碳纤维行业 需要高精尖技术人才,生产线上也需要训练有素的员工。日本的投资环境、生 产要素低于世界平均水平,但该区域企业拥有顶尖的技术以及研发手段,利用 价格优势仍然能够领跑全球。中国的投资环境处于全球中等水平,在人工上占 有巨大优势,主要困境在于技术研发,产品还有大量提升空间。

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    目前全球碳纤维生产主要集中在日、美、德、中、韩等国。其中日本、美国供 给头部市场比例远超其他国家或地区,两者作为碳纤维研发的领军者,发展较早,工艺技术完备,产品性能好,出品率高,在下游应用端拥有品牌效应。在小丝束范围里,日本碳纤维产业排名首位,掌握主要话语权,与高精尖科技 如航空航天领域联系紧密,正逐步开拓新能源汽车市场。而美国碳纤维产业在 大丝束研发中取得突破性成果,凭借自身地理、技术以及应用优势,吸引大量 碳纤维上游生产企业在本土投资,加强与下游企业的合作,深化技术互利共享。

      我国从20世纪60年代开始研发聚丙烯腈基碳纤维,起步落后于欧美日本。研发人员筚路蓝缕,从无到有,在短短50年内取得了重大突破。随着国内下游行业发展兴起,国家大力扶持,碳纤维复合材料领域技术水平和产业化程度加速 发展,奋起直追,进入前所未有的新阶段。

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     目前国内碳纤维行业仍处于初级阶段,竞争不充分,熟练掌握核心技术并能使起生产规模化的企业相对较少。加之国内碳纤维产能利用率不足,碳化单线能力仅1000吨/年,远低于国际标准2700吨/年,缺少国际竞争优势。

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