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碳纖維的春天即將來臨

據(jù)美國復(fù)合材料世界網(wǎng)站2015年12月報道，美國復(fù)合材料預(yù)測和咨詢公司在2015年碳纖維大會上發(fā)表演講，提供了碳纖維市場的現(xiàn)狀和趨勢的可靠評估（有關(guān)數(shù)據(jù)參考見表1～3），受到全球業(yè)界的高度關(guān)注。

表1 全球碳纖維需求預(yù)測

表2 全球碳纖維供應(yīng)預(yù)測

表3 關(guān)鍵終端市場的全球碳纖維需求預(yù)測

首先，從應(yīng)用需求上分析，全球碳纖維有75%消耗在工業(yè)應(yīng)用上，且增長勢頭強勁。

其次，汽車有望成為碳纖維的主要市場。汽車OEM廠商最有可能會采用組合鋼（鋁和復(fù)合材料的組合方式），滿足汽車節(jié)能減排和力學(xué)性能的要求以及成本的限制，促進汽車行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。

第三，有利于運輸?shù)拇鎯蛪嚎s液化天然氣的碳纖維復(fù)合材料壓力容器的應(yīng)用，有望帶動大量碳纖維的需求增長，特別是在亞洲、南美和歐洲部分地區(qū)。

最后，大約在2020年，碳纖維的需求將超過供應(yīng)量。這或?qū)⑼苿犹祭w維制造業(yè)在2018～2019的時間段內(nèi)一定程度的擴張。

2020年碳纖維復(fù)合材料市值將達2.092×109美元

據(jù)最新市場研究報告顯示，截至2020年全球碳纖維復(fù)合材料（CFRP）市場價值預(yù)計將達到2.092×109美元。汽車行業(yè)和航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芎洼p質(zhì)材料需求不斷增長，將是驅(qū)動全球CFRP市場發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。除此之外對于車輛排放和燃油價格的嚴格規(guī)定（尤其是歐洲和美國）促使CFRP在汽車行業(yè)的應(yīng)用。CFRP是一種輕量化的材料，能顯著減輕產(chǎn)品的質(zhì)量，因此它是提高能源利用效率的理想材料。由于CFRP具備的優(yōu)良屬性，包括高剛性和高強度屬性，是促進該材料市場有效增長的趨勢。然而CFRP材料高成本仍將是影響其發(fā)展的主要挑戰(zhàn)因素。

聚丙烯腈（PAN）和石油瀝青是制造碳纖維復(fù)合材料的關(guān)鍵原料。2014～2020年P(guān)AN基碳纖維增長率有望達到14.4%，這都歸因于其卓越的性能。研究的進一步結(jié)果表明：

2013年熱固性碳纖維復(fù)合材料（CFRP）占市場總成交量的77.1%。另外由于熱塑性碳纖維復(fù)合材料（CFRTP）其提供的卓越性能，在預(yù)測期內(nèi)（2014～2020）有望實現(xiàn)最高增長率14.4%。

航空業(yè)成為CFRP和CFRTP應(yīng)用的主導(dǎo)，2013年該領(lǐng)域占市場總成交量的23.5%。需求的上升可能是因為歐洲整個商用航空業(yè)的日益普及。另外2014～2020年汽車行業(yè)預(yù)計將以19.5%的復(fù)合年增長率增長，該領(lǐng)域?qū)⒊蔀樵鲩L最快的細分應(yīng)用。此外通過減少汽車整體重量（尤其是在美國和歐洲）提高燃油效率的方式預(yù)計將推動CFRP和CFRTP在汽車行業(yè)的需求。

北美地區(qū)是CFRP和CFRTP的主要區(qū)域市場，2013年該地區(qū)占市場總成交量的36.8%。在預(yù)測期內(nèi)，由于航空及國防部門嚴格的環(huán)保法規(guī)以及低油耗汽車的市場需求，將進一步推動CFRP和CFRTP在汽車和航空業(yè)的發(fā)展。2014～2020年歐洲有望實現(xiàn)最快增長，達到16.4%，而日本、中國大陸和中國臺灣將成為亞太地區(qū)的CFRP和CFRTP消費主體，世界其它地區(qū)共同占區(qū)域市場90%以上。

全球CFRP市場高度集中，該市場排名前4的4 家公司產(chǎn)量占市場總量60%以上。市場的主要參與者包括Toho公司、東麗公司、Group公司以及三菱麗陽株式會社公司、Cytec Industries和 SGLGroup公司。全球市場其他經(jīng)營該材料公司包括Hexcel公司、臺塑集團、韓國曉星集團以及DOW AKSA公司。

日本研發(fā)新碳纖維生產(chǎn)技術(shù)量產(chǎn)提速

2016年1月14日，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）發(fā)布消息稱，研發(fā)出新的碳纖維生產(chǎn)技術(shù)。此次生產(chǎn)的碳纖維不僅可應(yīng)用于汽車，還可以應(yīng)用在航空飛機和工業(yè)設(shè)備上。

該技術(shù)由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)、東京大學(xué)、工業(yè)技術(shù)綜合研究所、東麗、帝人、帝人子公司東邦Tenax和三菱Rayon共同研發(fā)。據(jù)悉，新技術(shù)的生產(chǎn)率比原來提高10 倍，生產(chǎn)時需要的能源和產(chǎn)生的二氧化碳排放量減少了50%。

碳纖維因質(zhì)量輕，強度高，壽命長，可以應(yīng)用在航空飛機和汽車上。原料采用聚丙烯腈的碳纖維，預(yù)計到2020年，年增長率達15%。碳纖維是日本的支柱型產(chǎn)業(yè)，占全球市場份額的65%。

隨著燃料費用的增加，對環(huán)境負擔的減少，碳纖維逐漸應(yīng)用到輸送設(shè)備上。近年來，碳纖維已經(jīng)應(yīng)用到波音航空飛機“波音787”、雷克薩斯“LFA”、BWM的“i3”和“i8”、風力發(fā)電葉片等。碳纖維需求增長，但因為生產(chǎn)時間長，能源消耗大，無法充分滿足需求增加所供應(yīng)的量?，F(xiàn)在，碳纖維的年產(chǎn)量達數(shù)萬噸。

碳纖維的生產(chǎn)成本很高，據(jù)悉，2012年碳纖維產(chǎn)量為4×104t，價格在約5 000 日元/kg。要在汽車上大量使用時，最低要生產(chǎn)超過1×105t的碳纖維。因此，研發(fā)提高碳纖維生產(chǎn)性的生產(chǎn)技術(shù)就非常迫切。

新的生產(chǎn)技術(shù)通過開發(fā)出新的聚合物作為碳纖維的原料，省掉耐腐蝕工程。在生產(chǎn)碳纖維的前一個階段，就完成了耐腐蝕工序。在日本東京大學(xué)大學(xué)院工學(xué)系研究科任教授的影山和郎稱，這是全球首個研究成果。

此外，還研發(fā)溶劑可溶性芳香族聚合物。這一原料比原來的產(chǎn)品更易碳化，有利于絲束較大碳纖維產(chǎn)品的生產(chǎn)。大絲束碳纖維生產(chǎn)可相應(yīng)提高產(chǎn)量，也為生產(chǎn)性能的提高作出了貢獻。還縮短了碳化過程，大幅簡化了生產(chǎn)過程。

至此，通過新聚合物的研發(fā)，通過微波加熱、通過等離子體進行表面處理等3 項新的技術(shù)，生產(chǎn)時的能源消耗和二氧化碳排放量減少了50%，生產(chǎn)量提高了10 倍以上。具體來說，每條生產(chǎn)線碳纖維的年產(chǎn)量將由2 000 t提高到2×104t以上。碳纖維生產(chǎn)時所需的能源將由286 MJ/kg降低到140 MJ/kg。生產(chǎn)1 kg碳纖維的二氧化碳排放量將由22 kg降低到11 kg以下。

使用新生產(chǎn)技術(shù)，碳纖維的彈性模量達240 GPa，強度為3.5 GPa，伸長率為1.5%。這比日本國內(nèi)生產(chǎn)廠家提供的碳纖維性能要低。但是，其性能和工業(yè)產(chǎn)品非常匹配，也可以使用在航空飛機上。

歐美也在推進碳纖維產(chǎn)品的研發(fā)，但是以低成本優(yōu)先，性能將設(shè)定在彈性模量＜200 GPa，強度約＜3 GPa。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)將此次研發(fā)的碳纖維產(chǎn)品性能設(shè)定在彈性模量超235 GPa，伸長率設(shè)定在1.5%以上。和海外研究項目相比，是一個很高的目標值。但此次通過“溶劑可溶性耐火焰聚合物”生產(chǎn)的碳纖維，達成了這一既定目標。新生產(chǎn)技術(shù)的確立有望使碳纖維的批量生產(chǎn)加速。今后，在進一步提高性能的同時，也將進一步推進碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的實用化。

寶馬將推出全新一代X5采用碳纖維打造

X5是寶馬旗下的中大型SUV，在過去的數(shù)十年內(nèi)已經(jīng)歷了數(shù)次換代與改款，而今全新一代的X5車型也將問世。近日，網(wǎng)通社從美國媒體Autoevolution獲悉，寶馬將推出全新一代X5，作為寶馬旗下的全新SUV車型，新一代X5將于2018年正式亮相，并且采用全新平臺打造。與此同時，全新一代X5在制造過程中也有望采用碳纖維復(fù)合材料，以便達到輕量化的目的。

寶馬全新一代X5已逐步進行實車測試，新車在采用全新平臺制造后，將較現(xiàn)款車型在綜合性能方面具有顯著提升。就外觀而言，全新一代X5將采用面積更大的進氣隔柵，并且對前保險杠位置的進氣口進行適度增大，使得新車在前臉設(shè)計方面更具視覺沖擊力。

在中大型SUV車型中，奧迪全新一代Q7則是寶馬新一代X5的競爭對手。雖然寶馬并未公布全新一代X5的動力配置，但xDrive四驅(qū)系統(tǒng)依舊會成為標準配置，而七座版設(shè)計也有望在最新一代X5車型上得以體現(xiàn)。

中科院寧波材料所高強高模碳纖維國產(chǎn)化制備技術(shù)取得重大突破

2016年1月28日，中科院寧波材料所特種纖維事業(yè)部在高強高模碳纖維國產(chǎn)化制備技術(shù)領(lǐng)域取得了重大突破，制備得到的高性能碳纖維拉伸強度為4.86 GPa，拉伸模量為541 GPa，在模量達到國外同類產(chǎn)品M55J（540 GPa）的同時，其拉伸強度遠優(yōu)于M55J產(chǎn)品（4.02 GPa），從而打破了國外在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷并填補了國內(nèi)的技術(shù)空白。

高強高模碳纖維又稱為石墨纖維，與傳統(tǒng)高強碳纖維相比，其碳含量高達99%以上，且具有更高的模量。此外，還具有熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)電性高、熱穩(wěn)定性好、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點，在宇宙飛行器等航空航天領(lǐng)域作為關(guān)鍵材料得到應(yīng)用。一直以來，高強高模碳纖維的核心制備技術(shù)被國外少數(shù)幾家公司壟斷，如日本東麗公司除擁有成熟的T800、T1000等高強中模級碳纖維產(chǎn)品外，還擁有M40J、M50J、M55J、M60J等高強高模級碳纖維產(chǎn)品。鑒于高強高模碳纖維處于國防尖端領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略地位，其制備技術(shù)一直對國內(nèi)封鎖，而其產(chǎn)品也對國內(nèi)禁運。

中科院寧波材料所特種纖維事業(yè)部成立于2008年，創(chuàng)建伊始便以高性能碳纖維作為研制目標，依托國家發(fā)改委碳纖維制備技術(shù)國家工程實驗室、碳纖維檢測表征平臺等研發(fā)創(chuàng)新機構(gòu)，已先后突破了高強中模碳纖維中試及工程化技術(shù)。2014年年底，事業(yè)部開始高強高模碳纖維的研制工作，于2015年5月成功制備得到M50J級高強高模碳纖維，經(jīng)過航空、航天、核能等單位檢測，其拉伸強度及模量分別高達5.12 GPa和475 GPa，該性能達到甚至超過了國外同類產(chǎn)品，隨后進行了連續(xù)穩(wěn)定化的生產(chǎn)。2015年年底，事業(yè)部開展了更高級別M55J級高強高模碳纖維的研制工作，并于2016年1月底成功實現(xiàn)其制備技術(shù)的突破。目前，中科院寧波材料所已經(jīng)具備M40J、M46J和M50J級產(chǎn)品連續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)能力，并形成了M55J級高強高模碳纖維的制備技術(shù)。

國產(chǎn)M55J級高強高模碳纖維雖然在主體性能上達到甚至超過了國外同類產(chǎn)品，但高級工程師張永剛認為目前仍需要解決穩(wěn)定化生產(chǎn)及復(fù)合材料加工時纖維與基體匹配性等問題。王雪飛和錢鑫博士表示將在后續(xù)工作中分別針對高強高模碳纖維結(jié)構(gòu)及性能穩(wěn)定化、纖維表面結(jié)構(gòu)設(shè)計與復(fù)合材料性能相關(guān)性等深入開展研究工作。

據(jù)悉，特種纖維事業(yè)部將在實現(xiàn)M55J級高強高模碳纖維穩(wěn)定化生產(chǎn)的同時，后續(xù)將開展M60J級高強高模碳纖維的研制工作。

東麗社長日覺昭廣看好碳纖維車用前景

東麗株式會社在到2016年度的3 年中期經(jīng)營計劃中提出削減成本的計劃。根據(jù)計劃，3 年內(nèi)目標削減成本2×1010日元，截止到2015年9月一年半的時間里已經(jīng)達成一半目標。預(yù)計2016年度東麗的營業(yè)利潤將達1×1010日元。

高性能常規(guī)碳纖維絲束已經(jīng)應(yīng)用在航天飛機、超級跑車等領(lǐng)域。由于大絲束碳纖維易于規(guī)?；慨a(chǎn)，東麗早在2014年便收購了美國大絲束碳纖維制造商，以擴大碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域。

東麗社長日覺昭廣認為，從2017年起約5×106日元的高級車也將開始逐步使用大絲束碳纖維。隨著汽車、飛機等領(lǐng)域?qū)Ω邚娸p質(zhì)碳纖維需求的擴大，目前東麗已經(jīng)著手建設(shè)在美國的兩處碳纖維子工廠，擁有從碳纖維原絲到最終制品的一體式產(chǎn)業(yè)鏈。

到2020年，東麗累計投資規(guī)模將達1×1010日元。新建工廠的碳纖維產(chǎn)能達2 000 t/a，將于2017年5月開始正式投產(chǎn)。

2019年開始東麗將向美國波音公司提供客運機用碳纖維零部件制品。此次與波音簽訂的合同長達10 年以上，預(yù)計將為東麗集團帶來超過1.3×1011日元的超級訂單。

在談到2016年的目標時，日覺昭廣表示在完成中期經(jīng)營計劃目標的同時，將加強對新材料的投入和研發(fā)，重點向經(jīng)濟快速成長領(lǐng)域拓展?！凹词故澜缃?jīng)濟處于低迷時期，我們的收益仍將繼續(xù)擴大?！?/p>

（以上碳纖復(fù)材）