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碳纖維——輕量化應用或是突破口

時間:2016-08-18 瀏覽量: 字號:
 

  碳纖維已經從實驗室走向廣泛應用,全球碳纖維需求不斷增長,國內碳纖維仍顯落后,國家從“十二五”規劃開始,就把發展碳纖維等新材料作為國家的戰略產業發展。在國家政策和地方政府的支持下,許多碳纖維項目落地。碳纖維進一步擴大應用需求,可能將著眼于“空陸風”三大領域:1、航空航天;2、新一代汽車;3、風機葉片。


  1、碳纖維:新材料從實驗室走向廣泛應用的典型

  (一)碳纖維技術概覽

  1、為什么碳纖維受熱捧?——質輕、高強、穩定性好

碳纖維,是一種含碳量在90%以上的無機高分子纖維。它的強度比鋼的大,密度比鋁的小,比不銹鋼還耐腐蝕,又能像銅那樣導電,是一種具有許多寶貴的電學、熱學和力學性能的新型材料,被譽為“黑色黃金”。碳纖維與最近的明星材料石墨烯是“同一家族”,可以說,碳纖維是由無數微小的石墨烯片(納米級別)按一定的取向堆積形成。這也解釋了為什么碳纖維和石墨烯都具有許多類似的電、熱、力學性質。


  2、碳纖維的分類有哪些?——主要是三類:制造原料、纖維數量、力學性能

碳纖維家族龐大,各種各樣的碳纖維具有不同的特點,所以有多種分類方式。

  (1)按照碳纖維的制造原料分類,PAN基纖維是市場主流。

碳纖維主要分為聚丙烯腈基(PAN)碳纖維,瀝青基碳纖維,黏膠基(纖維素)碳纖維。PAN基碳纖維。因為PAN基纖維制備方法較為簡單,得到的產品抗彎抗壓性能又非常優異,所以是目前碳纖維市場的主流,占90%以上。

  (2)按照纖維數量分類,大絲/小絲應用領域有所不同,小絲束價格昂貴

單根的碳纖維在機械強度上是達不到應用需求的。實際使用的碳纖維都是由若干根碳纖維絲集束而成的。1K就代表一束碳纖維中有1000根絲。通常把1K、3K、6K、12K和24K的碳纖維稱為小絲束碳纖維,小絲束碳纖維主要應用于軍工、航空領域,因此又被稱為“宇航級”碳纖維。價格與大絲束碳纖維相比更加高昂。36K以上的碳纖維稱為大絲束碳纖維,主要包括48K、60K、120K、180K、360K和480K。大絲束碳纖維目前主要應用于汽車、風力裝置、一般工業等領域,因此被稱為“工業級”碳纖維。

  (3)按照力學性能分類,T、M各不同

籠統來講,碳纖維分為高強碳纖維、高模碳纖維,超高強碳纖維、超高模碳纖維。所謂高強,指的是較高的拉伸強度。拉伸強度越大,碳纖維越難被拉斷。高模,指的是較高的拉伸模量,拉伸模量越大,碳纖維越剛性,“寧折不彎”。但是在實際使用中,大家通常使用碳纖維世界龍頭企業——日本東麗(TORAY)的產品編號,如T300、T800、T1000、M55等來對應不同性能的碳纖維。因為這些型號是Toray公司當初按照強度下去分的,所以碳纖強度T300<T600<T700<T800<T1000,模量M30<M40<M46<M50<M60<M65。


  3、中外技術差距有多大?——高性能碳纖維以日企為標桿,國內仍在T300/T700水平

  目前高強度、高模量的碳纖維基本被日美企業壟斷。原因是碳纖維制備工藝復雜,工藝參數需要大量精力和金錢摸索,容易形成壟斷。國內目前仍在T300,T700的水平,更高質量的碳纖維仍無法大規模生產。

  (二)碳纖維制備工藝和生產設備極大的影響碳纖維質量

碳纖維的制備工藝流程復雜,涉及工藝參數較多,積累這些參數往往需要幾年的周期。并且碳纖維生產設備的技術壁壘較高,國外領頭企業對生產設備實施封鎖禁售。這也是目前我國高性能碳纖維生產難以實現的根本原因。

  目前主流的碳纖維是PAN基碳纖維,所以本文就以PAN基碳纖維為例介紹碳纖維的制備流程:

  (1)丙烯腈單體制備

丙烯腈是大宗基本有機化工原料,主要通過丙烯氨化氧化過程得到,是制備聚丙烯纖維的重要單體。其純度與質量直接影響合成碳纖維原絲的質量。

  (2)聚合反應形成聚丙烯腈

  丙烯腈單體聚合生產聚丙烯腈是極為重要的步驟。聚合反應過程的快慢、原料在反應釜中的分布、反應溫度控制等都影響得到的聚丙烯腈的質量。

  (3)通過噴絲技術形成聚丙烯腈原絲

  將聚丙烯腈溶于溶劑,再將聚丙烯腈與溶劑混合物通過類似淋浴似的噴絲頭噴出來,形成聚丙烯腈原絲。再生產過程中,會在原絲前端施加牽引力,將原絲變細變致密。在這個環節中,溶劑的選擇以及牽引力大小、牽引速度都是重要的工藝參數。并且工藝參數的精確程度與生產設備密切相關。

  (4)預氧化原絲形成預氧絲

對于原絲——聚丙烯腈纖維,由于是一維的線性大分子鏈,所以難熱性差。通過預氧化過程(200~300℃)可以將其轉化成二維梯形結構的大分子鏈,這樣才能經受后續的更高溫度處理。這里涉及一個重要的設備——預氧化爐。預氧化爐的溫度梯度控制、送風排風控制以及原絲的牽引控制都是預氧化過程影響碳纖維質量的重要因素。

  (5)預氧絲經過碳化處理或者進一步石墨化處理,得到初步碳纖維

  所謂碳化過程,就是讓預氧化過的PAN纖維在高溫下裂解,逸出氫、氧、氮等小分子,最后留下碳元素的過程。通常溫度在1000~2000℃。此時得到的碳纖維內部碳原子是雜亂無章排列的。其強度和模量都不是最優。所以根據產品需要,后續還可以增加石墨化過程。石墨化就是碳材料內部碳原子在更高溫度下(2000~3000℃)進行重新排列,慢慢趨向于完美六元網格的一個過程。此時的碳纖維的強度與模量都有顯著提升。預氧化技術和石墨化技術是制備高性能碳纖維的關鍵步驟,目前國產預氧化爐和石墨化爐的質量與國外先進水平差距較大,在預氧化和石墨化環節突破生產技術和生產設備的屏障是我國碳纖維發展的重要方向。

  (6)對碳纖維表面處理

  經歷碳化過程或者石墨化過程的PAN纖維已經成為碳纖維。但這種碳纖維并不是所需的終端產品。通常碳纖維都會與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合,形成功能多樣的碳纖維復合材料。碳纖維復合材料才是工業、航天、汽車等領域所需的使用材料。簡單的類比來說,碳纖維如同鋼筋,而基體如同水泥,鋼筋與水泥的組合才是房屋的構筑材料。

  而對碳纖維表面處理是為了增大纖維的比表面積,增強纖維表面的化學活性,從而讓后續的基體與碳纖維能夠緊密的結合,結合界面的好壞直接影響碳纖維復合材料的性能。

  (7)碳纖維上漿處理

  在生產過程中,由于機械摩擦,碳纖維表面容易起毛,或者出現單絲斷裂等現象,這樣會影響碳纖維的強度。并且,毛絲的出現也影響碳纖維與基體的結合。所以會在碳纖維表面再涂一層有機物保護層,減少碳纖維起毛斷絲的現象。

  (8)得到碳纖維加工成碳纖維復合材料

  如上文所提,碳纖維并不會直接進入應用領域,而是使用樹脂、金屬、陶瓷等材料作為基體與之復合,形成強度、模量等綜合指標合格的結構材料,即碳纖維復合材料。目前使用最多、最廣泛的是樹脂基復合材料(CFRP),人們也不斷探索碳纖維加工成CFRP的方法,如樹脂傳遞模塑(RTM)、注射成型、拉擠成型等,這里不多做介紹。

  2、碳纖維市場規模巨大,主要看好“空陸風”

  (一)全球碳纖維產能不斷提升

  隨著碳纖維在大型飛機、風力發電、汽車工業等領域的需求不斷擴大,全球各大碳纖維生產企業都擴大了生產規模。

  (二)日美企業在市場份額上占絕對優勢

  從市場份額來看,2014年全球碳纖維市場需求53.5千噸,約占總產能的41%。預測碳纖維需求將以10%左右的速度增長,在2015年達到59千噸。目前,絕大多數的市場份額被美日企業瓜分。在小絲束市場,日本三家企業東麗、東邦、三菱占市場54%的份額,緊隨其后的是美國Hexcel,臺灣臺塑等。在大絲束市場,美國的Hexcel與美國SGL公司占全球份額的73%,處于主導地位。

  (三)國內碳纖維已完成從無到有,發展較快

隨著國家政策支持力度的不斷增大及市場需求的日益增長,我國碳纖維技術和產業化水平顯著提高。在過去20年實現了從無到有的突破。目前,國內大小碳纖維生產企業近40家,國產碳纖維總產能達到1.5萬噸。其中,T300級碳纖維性能達到國際水平,已進入產業化發展階段;T700級碳纖維已建成千噸級生產線,產品進入應用考核階段,低成本干噴濕紡T700級碳纖維已經實現規模化生產;T800級碳纖維噸級線建成并已實現批量生產。但高模高強的高等級碳纖維的制備技術仍與國際碳纖維企業有較大差距。

  (四)政策大力支持,碳纖維受熱捧

  1、日本政府大力推動,碳纖維產業聯盟可持續發展

  我國碳纖維的發展并不晚,不過遺憾的是,從20世紀70年代中期開始經過近40年發展,我國的碳纖維產業仍無法與日本公司在市場上正面競爭。原因之一是日本在政策支持力度。日本政府高度重視高性能PAN基碳纖維相關技術的研發,并給予人力、經費上的大力支持,包括在“能源基本計劃”、“經濟成長戰略大綱”和“京都議定書”“節省能源技術研究開發方案”等基本政策紅將碳纖維作為戰略產業發展。

其次是成立產業聯盟。日本在碳纖維領域的領先地位,與日本碳纖維產業聯盟密切相關。日本較早形成了產業聯盟,聯盟成員覆蓋了整個碳纖維產業鏈,形成聯盟內的共同優勢,加快碳纖維技術開發速度,為技術的開發和商業化提供了更好的環境。

  2、國內碳纖維國家重點扶持,將加速發展

  國家從“十二五”規劃開始,就把發展碳纖維等新材料作為國家的戰略產業發展。在國家政策和地方政府的支持下,許多碳纖維項目落地。在“十三五”期間,企業的自主創新能力、高性能碳纖維的生產設備與制備工藝依然是國家重點扶持的方向,也是國內碳纖維企業需要重點攻關的方向。

  (五)碳纖維應用前景:最看好“空陸風”

  20世紀60年代到70年代,碳纖維走出實驗室,在火箭與太空飛船等軍事領域有少量應用,那時碳纖維制備成本高昂,下游需求很少,與目前的石墨烯行業十分類似。隨著研究的深入和制備成本的降低,碳纖維逐漸應用于運動器材等領域。在20世紀末,碳纖維開始大規模應用于飛機、汽車制造,極大的推動了碳纖維產業的成熟與發展。時至今日,全球碳纖維產量超過5萬噸,平均成本低于5美元每磅。據美國AJR顧問公司預測,碳纖維全球銷售額將由2011年的16億美元增長至2020年的45億美元,碳纖維復合材料將從 2011年的161億美元增長至2020年的487億美元。

碳纖維及復合材料最早進入民用領域是體育休閑用品。主要應用是自行車、釣魚竿、高爾夫球桿和網球拍等等體育用品。據調研,目前全球體育休閑市場對碳纖維的需求占總需求的16%,但這一部分需求已經接近飽和。預計到2020年這一比例將降低到5%。航空航天已經工業應用將占95%以上的需求。其中工業需求中,預計汽車與風機葉片將大幅增長,帶動全球碳纖維產業的發展。


  1、高性能碳纖維逐漸進入民用航空領域

隨著對飛機飛行時間和可靠性的更高要求,碳纖維逐漸走進飛機結構材領域,挑戰鋁合金的統一地位。據報道,商用飛機每減重一公斤,一年就能節約3000美元的燃料。遠程火箭、太空飛船每減重一公斤,就能節約10,000美元的燃料。統計顯示,目前碳纖維復合材料在小型商務飛機和直升飛機上的使用量已經在70~80%,在軍用飛機上占30~40%,在大型客機上占10~50%。2014年CCeV統計數據顯示,航空航天市場所需碳纖維在數量占比29%,但是總市場金額占到了48%,說明該領域使用的多是高價值的碳纖維。

空中客車公司的A380飛機的主要結構中,22%采用了碳纖維復合材料,飛機尾翼和最大直徑超過6米的后機身都是由碳纖維復合材料制造。這些碳纖維復合材料由Hexcel公司和Cytec公司提供。專家稱,對于同樣的強度,碳纖維復合材料要比相同的金屬結構輕15%到25%。例如A380的中心翼盒比相同的鋁制材料輕3噸左右,按估算每年可以節省900萬美元的燃油費。空客公司的A350XWB飛機使用碳纖維復合材料的比例高達53%,主要使用在機身壁板、龍骨梁、機翼和尾翼等,據估計每架飛機的碳纖維復合材料用量超過400萬美元。而提供這些碳纖維復合材料的依然是Hexcel公司。

波音公司在2007年推出的787飛機,碳纖維復合材料占比也超過了50%。一架飛機使用超過30噸的碳纖維復合材料,實際碳纖維用量超過20噸。波音公司稱,復合材料的使用可以節省燃料費用約20%。這碳纖維復合材料的供應商是日本東麗公司。東麗除向現有的中大型飛機“787”之外,還將向最早于2020年投入使用的777X供應主機翼用碳纖維復合材料。


  2、汽車輕量化跟碳纖維發展帶來新機遇

新一代汽車的發展方向是保證安全性的同時輕量化。碳纖維密度比碳鋼、鋁合金低,強度與模量都超過鋼材,因此采用碳纖維復合材料是最有效的辦法。據統計,在2013年碳纖維復合材料在汽車領域產值約10億美元,預計2020年產值達到60億美元。國外的各大主要汽車廠家都在積極部署碳纖維及碳纖維復合材料在新一代汽車上的應用。

由于目前碳纖維復合材料成本較高,所以主要使用在頂級跑車與豪華汽車市場。許多廠商推出了全碳纖維復合材料覆蓋的概念車。例如法拉利推出的LaFerrari,蘭博基尼Aventador,保時捷918 spyder,布加迪威龍等,都使用100%全碳纖維復合材料包覆,不但極大的減輕了車身質量,并且在外觀造型上更具質感。但是超級跑車與豪華汽車與一般汽車相比,產量較小,雖然在全車的使用比例較大,但不會對碳纖維需求帶來顯著提升。


  2013年,寶馬與SGL公司合作,推出了采用大量碳纖維復合材料打造的i3純電動汽車產品。寶馬i3全重1224kg,成員座艙模塊由全碳纖維復合材料打造,比鋁合金設計輕300kg左右。整個車體重量的減輕提高了電動汽車的續航能力。隨后寶馬公司在i7、M系列也大量的采用了碳纖維復合材。碳纖維已經成為寶馬未來汽車輕量化的發展重點。據統計,到2020年,碳纖維在汽車上的需求將由2013年的2600噸猛增到23000噸,將與航空航天應用持平。這充分表明了碳纖維產業在汽車輕量化方面有很大的市場空間。

盡管碳纖維復合材料在汽車產業的應用極具前景,它仍需要解決成本和制備工藝的問題:碳纖維的成本在20到30美元每公斤,是傳統鋼材的20倍,是鋁材的10倍左右;制備耗時較長,沖壓一個金屬部件可能需要1分鐘左右,而碳纖維復合材料可能需要幾個小時;碳纖維復合材料還無法像金屬材料那樣易于回收;碳纖維復合材料是新型材料,如何設計材料參數與結構依然處于探索階段,經驗上沒有傳統材料成熟。


  3、大功率、大尺寸風力葉片將是碳纖維未來的主要市場之一

碳纖維與傳統制作風機葉片的玻璃纖維相比,重量減輕30%,強度大40%,模量提高3到8倍,是目前大型風機葉片的發展方向。在目前化石燃料價格存在巨大波動的背景下,風電安裝成本低廉的優勢日漸凸顯,風電正在快速成為成熟的技術。根據全球風能理事會數據,2014年全球風電新增裝機容量達到51,477MW,其中中國占45%以上。全球累計裝機總量369,553MW,中國裝機量占31%,居世界首位。風機組也正朝著大型化發展,風機葉片越來越長,功率越來越大。韓國南方電力公司和三星重工2013年建設的風電組,最長的風機直徑達到171.2米,單個葉片長度達到83.5米。這對葉片材料的強度和剛度有了更高的要求。

使用碳纖維代替傳統的玻璃纖維制作風力葉片可以在提高葉片剛度的同時降低葉片質量,提高了風機的輸出功率。并且碳纖維葉片的抗疲勞性能更優越,本身導電的性能也能避免葉片在特殊氣候的腐蝕和雷擊。


  3、國內碳纖維企業初具規模,技術核心決定市場前景

  (一)產業鏈成熟,下游應用是擴大市場的關鍵

  碳纖維產業鏈主要包括丙烯腈、原絲、碳纖維、中間材料、復合材料和下游應用6個環節。

  1、上游:丙烯腈供應充足,原絲與碳纖維生產設備與技術是碳纖維產業的核心

PAN基碳纖維占90%以上的碳纖維市場,其主要原料是丙烯腈。從2014年7月至今,丙烯腈價格不斷下調,從14000元每噸下調至8000元每噸。從丙烯腈價格來看,丙烯腈作為碳纖維原料供應較充足。原絲與碳纖維的制備依然是產業鏈的核心,其中原絲在碳纖維制備中占成本的53%。另外值得一提的是,制備原絲和碳纖維的生產設備也是上游極為重要的環節。通常國際碳纖維生產企業如東麗、Hexcel等都自己設計制備生產設備并對外保密,所以生產設備也是碳纖維上游的核心技術,國內碳纖維企業一旦有重大突破,將會帶來碳纖維上游產業格局的變化。


  2、中游:碳纖維中間產品及復合材料是碳纖維與實際應用之間的重要橋梁

碳纖維產業鏈的中游是碳纖維中間產品與復合材料制備企業。中間產品主要指碳纖維預浸料和碳纖維布等,是碳纖維用于復合材料之前的重要橋梁,中間產品可以提高碳纖維附加產值,降低碳纖維行情波動對企業帶來的影響。復合材料是將預浸料進行層壓、纏繞等加熱固化得到的材料,碳纖維增強樹脂復合材料約占90%以上的市場份額。


  3、下游:碳纖維應用材料

碳纖維產品性能優異,在下游有廣泛的應用前景,如航空、風能、汽車、體育休閑等領域。目前碳纖維在還處于市場推廣期,碳纖維的引入能否提高下游企業的產品競爭力是拓展碳纖維下游應用的關鍵因素。


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