CF_Industry_Overview_20090225碳纤维发展综述

CF_Industry_Overview_20090225碳纤维发展综述
CF_Industry_Overview_20090225碳纤维发展综述

A Brief History of the Composites Industry

The first known FRP (Fiber Reinforced Composites) product was a boat hull manufactured in the mid 1930s. FRP composites applications have revolutionized the aerospace, sporting goods, marine, electrical, corrosion-resistance, and transportation industries. FRP composite materials date back to the early 1940s in the defense industry, particularly for use in aerospace and naval applications. The U.S. Air Force and Navy capitalized on FRP composites’ high strength-to-weight ratio and inherent resistance to weather and the corrosive effects of salt air and sea. The rapid development and use of composite materials beginning in the 1940s had three main driving forces.

https://www.360docs.net/doc/7b911277.html,itary vehicles, such as airplanes, helicopters, and rockets, placed a premium on high-

strength, lightweight materials.

2.The emergence of new, lightweight polymers offered solutions for a variety of uses,

provided something could be done to increase the mechanical properties of plastics.

3.The extremely high theoretical strength of certain materials, such as glass fibers, was

being discovered to solve the problems posed by the military's demands.

By 1945, over 7 million pounds of fiberglass were being used in military applications. The benefits of FRP composites, especially their corrosion resistance capabilities, were communicated to the public sector. Fiberglass pipe was first introduced in 1948, its widest areas of use being within the corrosion market and the oil industry. FRP composites proved to be a worthy alternative to other traditional materials even in the high-pressure, large diameter situations of chemical processing. The 1950s brought new revolutionary applications for FRP composites. The same technology that produced the reinforced plastic for the Manhattan Project in World War II spawned the development of high performance composite materials carbon fiber for solid rocket motor cases and tanks in 1960s and 1970s. Now, high-performance race cars are the proving ground for technology transfer to passenger vehicles. High performance composite materials have been demonstrated in advanced technology aircraft such as the F-117, F-18, V22 and F35 Stealth Fighters, and the B-2 Bomber. Currently, FRP composites are being used for space applications and are involved in several NASA test initiatives

There were three principal driving forces that led to the interest and investment in composite materials in the United States in the mid-1950s and 1960s.

1.The demand for lower weight and higher rigidity for aerospace structures, electronics,

sports equipment, and other applications;

2.the solid-state theory's predictions of extremely high potential crystal strengths, more

than 1 million psi tensile strengths, and elastic moduli of more than 100 million psi; and

3.the flourishing U.S. economy.

From the late 1960s to late 1970s, cyclical global recessions and the oil crisis slowed the growth of the composites industry. Many businesses collapsed during this period and many raw material producers either withdrew from the market or consolidated their business. Nowadays the composites industry has settled into a mature phase as new market sectors for composites continue to appear, such as sporting goods, wind turbine blades, and the automotive industry. These emerging applications demand the development of materials and manufacturing processes

with low cost, high throughput, and high consistency. As these applications continue to mature, composites are being transformed from exotic materials into commonly used industrial materials. Therefore, the next 50 years could be even more eventful than the last 50 years for the composites industry.

A Brief History of the Carbon Fiber Industry

The earliest known commercial use of carbon fibers was the carbonization of cotton and bamboo fibers for incandescent lamp filaments in the late 1800s. Practical commercial uses of carbon fibers for reinforcement began in the 1960s. Union Carbide Corporation during World War II investigated the carbonization of rayon and PAN (polyacrylonitrile). In 1959 and 1962, two processes for manufacturing high strength and high modulus carbon fibers from rayon and PAN precursor fibers were invented simultaneously. In 1963, high modulus carbon fibers made from pitch were invented. The following precursor materials were considered for producing carbon fibers: rayon, PAN, pitch, polyesters, polyamides, polyvinyl alcohol, polyvinylidene, poly-p-phenylene, and phenolic resins. Of these materials, rayon, PAN and pitch have been found to offer the greatest mechanical properties.

Early carbon fibers were made from rayon. Today more than 90% of the commercially marketed carbon fibers are made from PAN. PAN-based carbon fibers possess higher strength-modulus and failure strain with high yield compared to fibers made from pitch or rayon. Rayon-based carbon fibers have very low yield (10%-30% depending on the precursor) and are difficult to process compared to PAN-based carbon fibers. Today no carbon fiber is produced in the United States from rayon. Pitch-based carbon fibers provide properties not readily obtained with PAN-based fibers such as higher modulus, and good thermal and electrical properties. Pitch-based carbon fiber is used in specialty applications. The current technologies for producing carbon fiber use the thermal decomposition of precursor fiber materials.

The successful commercial production of carbon fiber started in 1960 with the aerospace and defense industries’ requirements of high performances of high stiffness and strength for lightweight materials. After years of boom-and-bust cycles, the global carbon fiber industry has recently experienced a significant resurgence due to increasing demand for the technology in a wide range of applications. This resurgence is driven largely by demand for carbon fiber and advanced composite materials from the industrial, aerospace, sporting goods, and, increasingly, wind energy industries. The competitors in the marketplace continue to maneuver strategically to take advantage of the current supply constraints and establish long-term relationships with selected customers, often at pre-set prices.

The market for carbon fiber has experienced excellent growth in recent years. The growth rate for the last 23 years averaged about 12%. The global carbon fiber industry is slated to grow to $0.9 billion by the year 2010, with the market for finished carbon fiber reinforced composites parts set to grow to $9.9 billion in the same period. The rapid increase in demand for carbon fiber for new applications (wind energy and industrial applications) and the shortage of PAN precursor fiber supply created significant price increases recently. The composite materials industry requires large, capital-intensive equipment with long product development and qualification cycles. The world's carbon fiber producers are attempting to forecast demand

through 2014 and beyond. They are increasing production capacities by simultaneously considering the addition and geographic placement of new production facilities.

Prior to 1991, the carbon fiber industry was driven by the Department of Defense and defense industries. These high performance carbon fibers are produced in small tows ranging from 1,000 (1K) filaments to 12,000 (12K) filaments per tow. After the end of the cold war and with the collapse of the USSR, the demand for carbon fiber dropped sharply and the carbon fiber industry experienced its share of consolidation and restructuring through various acquisitions, similar to contractions in the defense industries. Cytec purchased Amoco’s carbon fiber business that was purchased from BASF’s manufacturing plant and equipment in Rock Hill, South Carolina, in 1993. Hexcel acquired Hercules PAN and carbon fiber business in Decatur, Alabama, and Salt Lake City, Utah, in 1993. Zoltek bought equipment from Stackpole, Courtaulds, and Cydeca, Mexico. RK Carbon was sold to Sigri Great Lakes Carbon (SGL). The impacts of the drop in demand for carbon fiber in 1995 through 2000 were:

1.all carbon fiber producers were operating below their capacity (less than 60%);

2.the price of carbon fiber was reduced;

3.dependence on defense and aerospace markets was reduced; and

4.the market for carbon fiber expanded into commercial aerospace, industrial, sporting

equipment, energy and automotive applications.

By 2002, this resulted in increasing the demand for carbon fiber and the need for carbon fiber at affordable prices to meet the competitive requirement in these new market segments. The result of these changes in the market demand created the needs for low cost carbon fibers and the large expansion of carbon producers manufacturing capacities.

Splittable PAN fiber large tow, based on textile industry tow of more than 320K filaments, provided the precursor for producing commercial grade carbon fiber that met the industrial applications of carbon fiber at affordable and competitive prices. The tow sizes for aerospace grade carbon fiber range from 1K - 12K filaments, and their prices could be as high as $200/lb depending on the carbon fiber class (high modulus). Composites manufacturing technologies during the last 50 years were developed and implemented for these small tow sizes. The commercial large tow sizes are 50K – 84K and their current prices are around $8/lb - $12/lb depending on the volume. Large tow carbon fibers are manufactured in the standard modulus type (approximately 30 – 35 Msi tensile modulus). Also, large tow carbon fiber has been successfully used in many industrial applications, such as automotive, sporting equipment, and wind energy. There are some difficulties and issues in the manufacturing of composite structures and components made from large tow carbon fiber tows using technologies for the small carbon fiber tows. These issues are being addressed and researched to take advantage of the large carbon fiber tow competitive prices. In the last five years, many carbon fiber producers are marketing carbon fiber in 24K, 36K, and 50K tow sizes. These intermediate size tows have been successfully used in weaving and filament winding processing technologies to overcome the large tow processing difficulties. The PAN-based carbon fiber commercial grade large tow producers are Zoltek, SGL Carbon, TohoTenax (at the former Fortafil location), and Mitsubishi/Grafil. It is estimated that current uses of large tow represent approximately 25% - 30% of the carbon fiber market; it is expected to increase to approximately 40% by 2012.

The price of carbon fiber and carbon fiber products has hindered the expansion and utilization of carbon fiber materials into new and emerging markets. Also, carbon fiber price and the market volume have kept carbon fiber materials from becoming commodity materials. The current business models, adopted by composites product producers and end users of carbon fiber materials, demand high quality materials at stable, affordable prices. The demands of reducing material costs, improving quality, and reducing inventories have pushed the carbon fiber material suppliers to integrate and consolidate their manufacturing and business operations. The following approaches have been adopted by the carbon fiber industry:

1.Integration of precursor production facilities and carbon fiber conversion facilities. The

Japanese companies have the advantage in these areas. Most of the Japanese carbon fiber producers have a long history in textile and PAN precursor production. Also, Japanese carbon manufacturers are in close business cooperation with end users to create markets for their carbon fiber material products.

2.Acquisition of textile manufacturing facilities and conversion of these facilities to

produce precursor for carbon fiber (Zoltek).

3.Integration of carbon manufacturing facilities with other post materials processing

operations to provide ready-to-use raw materials for the manufacturing of composites products and structures (weaving, braiding, prepregging, resin development and impregnation). This integration adds value to the supplied material product forms and reduces the user’s effort in developing the required material forms (resin selection, material types, control of the incoming material quality, manufacturing costs, and focusing of the composite product production).

4.Development of market applications for carbon fiber material by cooperative efforts

between the material suppliers and the end users for new and emerging market applications (such as wind energy, offshore oil exploration and production, energy and automotive).

In the half-century since PAN-based carbon fiber was invented, Asian, U.S. and European companies have successfully manufactured and commercialized PAN-based and pitch-based carbon fibers. Presently, the carbon fiber industry consists of three Japanese companies, four European and U.S. companies, and one Taiwanese company. The three Japanese companies have 65% -70 % of the carbon fiber market share. Other countries such as Russia, India, Korea, and China are entering the carbon fiber manufacturing industry. Demand is growing steadily, particularly in civil aircraft, energy, automotive, and general industry. The forecasted demand for carbon fiber is approximately 40,000 metric tonnes in 2010. The world's leading carbon fiber producers currently are:

1.Cytec Industries

2.Hexcel Corporation

3.Mitsubishi Rayon Co., Ltd.

4.SGL Group

5.TohoTenax (Teijin Limited)

6.Toray Industries

7.Zoltek Companies

碳纤维产业现状及发展前景

碳纤维:从“无”到“有”到“好” 随着国家政策扶持力度的不断增大及市场需求的日益增长,我国碳纤维出现了前所未有的产业化建设热潮,国产碳纤维技术和产业化水平显著提高。特别是最近十年,在国家科技与产业计划的支持下,高性能碳纤维及其复合材料在关键技术、装备及应用等方面取得了突破性进展,初步建立起国产碳纤维制备技术研发、工程实践和产业化建设的较完整体系,技术发展速度明显加快,产品质量不断提高,有效缓解了国防建设重大工程对国产高性能碳纤维的迫切需求。 目前,国内大小碳纤维生产企业近40家,其中,拥有千吨以上规模生产线的企业4家,拥有五百吨级生产线的企业5家。国产碳纤维总产能达到1.96万吨。主要产品为12K及以下规格小丝束PAN基碳纤维,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,并在航空航天领域得到了应用;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、高模高强碳纤维的工程化制备技术及更高等级碳纤维的制备关键技术还有待攻关。 总体上讲,目前我国碳纤维产业整体发展水平仍与国外存在较大差距。主要表现在碳纤维原丝生产工艺路线单一、纺丝速度慢、效率低;生产线规模小,产能分散,低端产品产能过剩但生产线开工率低,年产量不足产能的20%;产品品种规格单一、性能稳定性不高、同质化现象严重、成本居高不下;生产装备自主设计制造能力不足、对生产工艺的适应性差;油剂、上浆剂等原辅料开发不配套;下游应用技术发展与碳纤维技术不匹配,下游应用市场对碳纤维产业发展牵引力不足等。特别是,由于低成本、稳定化、规模化生产技术的欠缺,绝大多数碳纤维产品的成本与市场售价倒挂,我国碳纤维企业面临着国内企业间恶性竞争和国外企业恶意压价的内忧外患,生存状况不容乐观。 而目前,国际碳纤维产业及下游应用市场均呈现欣欣向荣的繁荣景象,一方面国际碳纤维应用市场继续以6-8%的增速不断扩大,应用领域进一步拓展;另一方面,全球各大碳纤维制造商已陆续宣布了大幅扩产计划,市场竞争空前激烈。 面对国际碳纤维产业如此明确的发展信号,“十三五”期间,我国碳纤维产

全球碳纤维材料知名企业

全球碳纤维材料知名企业——全球碳纤维顶尖企业 东丽公司 东丽公司是一家综合型化工企业,以生产合成纤维为主,是世界最大的碳纤维生产公司,在塑料、复合材料、化工、水处理事业、电子材料、医药、医疗器械等领域在全世界各地展开着广泛的业务。创立日期 1926年1月总销售额 1兆5,460亿日元(2007年3月)员工人数约36,000人(日本国内约16,500人、海外20,100人)关连公司日本国内118家、海外在20个国家和地区有124家,合计238家经营内容(1)综合化学公司:合成纤维、树脂、薄膜、碳纤维、电子材料、医药医疗设备、水处理事业等(2)世界第一的纤维公司:从原料到聚合、纺丝、织布、印染、缝制的一条龙生产业务(3)积极开展的海外事业:为各国的经济发展(技术水平提高、扩大出口、增加就业机会)做贡献 1960年以来,在东南亚3国展开合成纤维一条龙事业、薄膜事业 1980 年以来,在欧美展开纤维、薄膜、碳纤维事业 1990年以来,在中国展开合成纤维的一条龙生产业务、塑料加工事业等 2000年以来,在经济增长地区设立控股管理公司,向地区本部制过渡(4)重视基础研究.基本技术(5)注重安全.防灾.环保及保护地球环境 西格里集团 西格里集团创建于 1992 年,由德国 SIGRI 集团与美国大湖碳素(Great Lakes Carbon)集团合并而成,总部位于德国威斯巴登。西格里集团(SGL Group - The Carbon Company)是全球领先的碳素石墨材料以及相关产品的制造商之一。拥有从碳石墨产品到碳纤维及复合材料在内的完整业务链。凭借对原材料透彻深入的了解、精湛的生产技术以及广泛的应用和工程技能,能够为客户提供量身定做的解决方案。通过遍布欧洲、北美和亚洲40 多个生产基地所形成的全球网络,我们与客户更加贴近。 三菱丽阳株式会社 三菱丽阳株式会社创立于1933年8月31日,是日本三菱集团旗下最著名的高分子材料制造商。所生产的聚乙烯中空纤维膜,被广泛应用在供水、排水、水处理设备及医院手术用的无菌水装置、发电厂的叶轮机液化水过滤等领域。 产品范围:MBR专用中空纤维微滤膜片、MBR专用膜组器、净水专用中空纤维微滤膜组件、水处理装置、商用/家庭用净水器、全屋净水装置。 三菱丽阳自1933年作为人造短纤维的生产公司创业以来,应用合成纤维和合成树脂领域所积累的高分子技术,不断拓展中空纤维膜、光纤、碳素纤维等新兴业务领域。现在,三菱丽阳集团已经建立了世界上独特且强有力的丙烯系列业务实体(MMA[甲基丙烯酸甲酯]系列及AN[丙烯腈]系列),发展成为以此为支柱业务的高分子化学制造企业。 Hexcel Composites

碳纤维的特性及应用

碳纤维的特性及应用 碳纤维是高级复合材料的增强材料,具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点,归纳如下: 一、轻质、高强度、高模量 碳纤维的密度是1.6-2.5g/cm3,碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上。因此,具有高的比强度和比模量,它比绝大多数金属的比强度高7倍以上,比模量为金属的5倍以上。由于这个优点,其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。 二、热膨胀系数小 绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数,室内为负数(-0.5~-1.6)×10-6/K,在200~400℃时为零,在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定,可作为标准衡器具。 三、导热性好 通常无机和有机材料的导热性均较差,但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。 四、耐化学腐蚀性好 从碳纤维的成分可以看出,它几乎是纯碳,而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外,对酸、碱和有机化学药品都很稳定,可以制成各种各样的化学防腐制品。我国已从事这方面的应用研究,随着今后碳纤维的价格不断降低,其应用范围会越来越广。 五、耐磨性好 碳纤维与金属对磨时,很少磨损,用碳纤维来取代石棉制成高级的摩檫材料,已作为飞机和汽车的刹车片材料。 六、耐高温性能好 碳纤维在400℃以下性能非常稳定,甚至在1000℃时仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性,树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右,陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航空航天工业。 七、突出的阻尼与优良的透声纳 利用这二种特点可作为潜艇的结构材料,如潜艇的声纳导流罩等。 八、高X射线透射率 发挥此特点已经在医疗器材中得到应用。 九、疲劳强度高 碳纤维的结构稳定,制成的复合材料,经应力疲劳数百万次的循环试验后,其强度保留率仍有60%,而钢材为40%,铝材为30%,而玻璃钢则只有20%-25%.因此设计制品所取的安全系数,碳纤维复合材料为最低。

国内外碳纤维生产现状及发展趋势

国内外碳纤维生产现状及发展趋势 碳纤维, 国内外, 趋势, 生产, 发展 碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维具有十分优异的力学性能,是目前已大量 生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维,特别是在2000℃以上的高温惰性环境中,碳材料是唯一强度不下降的物质,是其他主要结构材料(金属及其合金)所无法比拟的。除了优异的力学性能外,碳纤维还兼具其他多种优良性能,如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热 传导性高、热膨胀系数低、X光穿透性高,非磁体但有电磁屏蔽性等。 作为高性能纤维的一种,碳纤维既有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是先进复合材料最重要的增强材料,已在军事及民用工业的各 个领域取得广泛应用,从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此,碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典 型代表,为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面,发挥着非常重要的作用,对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义,对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。 我国自20世纪60年代开始碳纤维研究开发至今已有近40年的历史,但进展缓慢,同时由于发达国家对我国几十年的技术封锁,至今没能实现大规模 工业化生产,工业及民用领域的需求长期依赖进口,严重影响了我国高技术的发展,尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展,与我国的经济社会发展进程极不相 称。所以,研制生产高性能、高质量的碳纤维,以满足军工和民用产品的需求,扭转大量进口的局面,是当前我国碳纤维工业发展的迫切任务。 1生产方法 目前,工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。从粘胶纤维制取高力学性能的碳纤维必 须经高温拉伸石墨化,碳化收率低,技术难度大、设备复杂,成本较高,产品主要为耐烧蚀材料及隔热材料所用;由沥青制取碳纤维,原料来源丰富,碳化收率高, 但因原料调制复杂、产品性能较低,亦未得到大规模发展;由聚丙烯腈纤维原丝可制得高性能的碳纤维,其生产工艺较其它方法简单,而且产品的力学性能优良,用 途广泛,因而自20世纪60年代问世以来,取得了长足的发展,成为当今碳纤维工业生产 的主流。 聚丙烯腈基碳纤维的生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程。 原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序。碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕 等工序。

2018年碳纤维行业现状及发展前景分析报告

2018年碳纤维行业现状及发展前景分析报告

正文目录 1、碳纤维材料前景广阔,全球产能高度集中 (6) 1.1、碳纤维应用领域广泛,全球需求增长态势良好 (6) 1.2、碳纤维技术壁垒高,行业龙头优势显著、成本控制能力强 (17) 2、日本企业后发先至,精准定位碳纤维市场 (21) 2.1、东丽掌控碳纤维核心技术,引领行业持续发展 (22) 2.2、帝人东邦布局全球生产基地,碳纤维材料业务盈利能力不断增长 (27) 2.3、三菱丽阳兼备多种碳纤维材料生产能力,大力发展车用碳纤维复材37 2.4、西格里集团碳纤维产业链一体化布局, (45) 3、发展高端制造业,国内未来碳纤维需求巨大 (51) 3.1国内碳纤维的需求增长迅速,行业发展空间广阔 (51) 3.2、国内外企业规模差距大,碳纤维近年获国家政策大力支持 (57) 3.3、国内碳纤维行业步入快速发展期,竞争力持续增强 (58) 4、主要公司分析 (59) 5、风险提示 (60)

图目录 图1:全球碳纤维市场需求及预测 (6) 图2:2016年全球碳纤维需求分布 (6) 图3:2016 年碳纤维在全球航空航天领域细分应用占比 (7) 图4:波音787“梦想客机”的碳纤维机身 (8) 图5:国外商用飞机碳纤维复合材料应用占比 (8) 图6:波音公司预测2014 -2033年全球新增客机数量 (9) 图7:客机碳纤维渗透率预测 (9) 图8:碳纤维复合材料在汽车零部件中的应用情况 (10) 图9:全球汽车领域碳纤维需求量预测 (12) 图10:风电机组正向着大型化发展 (12) 图11:风电叶片的长度和材料经济性关系 (12) 图12:碳纤维在风电叶片中的主要应用部位 (13) 图13:风电新增装机容量预测 (14) 图14:风电叶片碳纤维需求量预测 (14) 图15:碳纤维高尔夫球杆 (15) 图16:碳纤维自行车 (15) 图17:2014-2016年各领域碳纤维价格变动趋势 (17) 图18:2014-2016年全球碳纤维市场需求分布情况 (17) 图19:碳纤维的制造工艺 (19) 图20:全球小丝束碳纤维市场分布 (20) 图21:全球大丝束碳纤维市场分布 (20) 图22:碳纤维行业发展历史 (21) 图23:东丽近年营业收入及毛利率 (23) 图24:2016年东丽株式会社营业收入各业务板块占比 (24) 图25:东丽株式会社PAN碳纤维生产工艺 (25) 图26:聚丙烯腈预氧化化学式 (25) 图27:东邦公司的全球化布局 (28) 图28:帝人集团的全球设施分布 (28) 图29:帝人集团业务领域概要 (29)

中国碳纤维产业现状和思考

中国碳纤维产业现状和思考 碳纤维作为战略性新兴产业中的重要产品正受到越来越多的关注,国内碳纤维生产线建设也异常热闹,一片红火。目前,我国碳纤维生产企业已近30家,除了民营企业,中石油、中石化、中化工、中钢铁、中国建材、首钢国际等大型国企都已介入,而且都是大手笔。截至目前,我国已建和拟在建的碳纤维产能已达到7万—8万吨/年,其中建成的产能为5000吨。然而,去年的产量只有千吨左右,部分产品质量水平连T300级都达不到,国内市场每年8000—9000吨的需求量大部分要依靠进口。在大量生产线出现“趴窝”现象的背后,反映了我国碳纤维目前真实的技术现状。  1959年,日本发明了用聚丙烯腈为原丝加张力牵伸制造碳纤维的方法。目前,日本东丽公司的系列化聚丙烯腈基碳纤维最具代表性,其产品主要分为T、M、MJ三个系列,每个系列又有不同型号,远远领先于世界平均水平。日本在1984年就生产出了T700级产品,此外,国外单线最大产能已达1800吨(12k),生产效率高。 我国碳纤维生产的研究始于1962年,起步不晚,但长期以来未取得实质性进展。近年的攻关,我国在一些碳纤维应用领域已经不再受制于人,但整体技术水平仍然相对落后。由于碳纤维技术被日本、美国等专利覆盖,我国企业缺乏核心自主知识产权的技术支撑,尚未全面掌握完整的碳纤维核

心关键技术,高性能碳纤维基本处于空白。目前,国内只有相当于或者次于T300级碳纤维的产品,T700级碳纤维尚处于工程化研究阶段,T800、MJ系列碳纤维尚在攻关。国内以3K(3000根)、12K的T300级碳纤维为主打产品,许多低端产品毛丝多,性能指标不稳定,通用性差。千吨级碳纤维生产线的投资在4亿元左右,如果技术始终不能过关,项目投资有可能会打水漂,因此当务之急是提高碳纤维技术水平。目前国内技术水平高的碳纤维企业也有几家,但由于没有形成规模优势,同等质量产品的价格远高于国外,因此成本差异很大,导致我国碳纤维产品没有市场竞争力。据了解,日本东丽T700级碳纤维的成本与国内T300级的成本相当。 近年来,碳纤维产业风行,有技术背景的和没有技术背景的都在上项目。有技术上项目可以理解,但没技术怎么上呢?多数企业采用的是“挖人战术”,师出同门,技术水平和工艺路线处于同一档次的项目在低水平重复建设。引进的洋技术由于相关设备及配套技术的缺失,改造后多数都难以开花结果。上世纪80年代我国就曾从英国RK公司引进大丝束预氧化炉和炭化炉,结果两套设备均未能正常运转,所谓的外国专家也无能为力,引进单位有苦难言,十几年后,当初的设备都当废铁卖了。另据了解,上世纪末期,安徽华皖碳纤维有限公司从英国引进了200吨/年聚丙烯腈基碳纤维及500吨/年原丝生产线,经过近十年建设,耗资3亿多,

碳纤维的产业现状及发展

碳纤维的产业现状及发展 2009-05-26源自:IT粉丝网网友评论0 条进入视频教程论文关键词:碳纤维工艺技术供需情况发展 论文摘要:碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,分子结构界于石墨和金刚石之间,含碳体积分数随品种而异,一般在0.9以上。 一、碳纤维的性能 1.1分类 根据原丝类型分类可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基3种碳纤维,将原丝纤维加热至高温后除杂获得。目前,PAN碳纤维市场用量最大;按力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度4种碳纤维;按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维,其中小丝束初期以1K、3K、6K(1K 为1000根长丝)为主,逐渐发展为12K和24K,大丝束为48K以上,包括60K、120K、360K和480K等。 1.2性能 碳纤维的主要性能:(1)密度小、质量轻,密度为1.5~2克/立方厘米,相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2;(2)强度、弹性模量高,其强度比钢大4-5倍,弹性回复l00%;(3)具有各向异性,热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂;(4)导电性好,25。C时高模量纤维为775μΩ/cm,高强度纤维为1500μΩ/cm;(5)耐高温和低温性好,在3000。C非氧化气氛下不融化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;(6)耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。此外,还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。 通常,碳纤维不单独使用,而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料,该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质,已在现代工业领域得到了广泛应用。 1.3应用领域 由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性,因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外,碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用,主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极,在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。 二、生产工艺 通常用有机物的炭化来制取碳纤维,即聚合预氧化、炭化原料单体—原丝—预氧化丝—碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝,其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料,干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法(干法和湿法纺丝)。 2.1干喷湿纺法 干喷湿纺法即干湿法,是指纺丝液经喷丝孔喷出后,先经过空气层(亦叫干段),再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条,纺出的纤维体密度较高,表面平滑无沟槽,且可实现高速纺丝,用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。

碳纤维材料的性能

碳纤维材料的性能及应用 摘要:介绍了碳纤维及其增强复合材料,详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民 用领域的应用,并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。 关键词:碳纤维性能应用 0引言 碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料,不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性,在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证,则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化,以及制造技术水平的不断提升,碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展,借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验,牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐,对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。 1碳纤维材料 1.1何为碳纤维材料 碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基 3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、

碳纤维国内技术和生产现状简介

碳纤维国内技术和生产 现状简介 文稿归稿存档编号:[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-

国内碳纤维技术及生产现状 我国从20世纪60年代后期开始研制碳纤维,历经近40年的漫长历程。在此期间,由于国外把碳纤维生产技术列入禁运之列,严格控制封锁,制约了我国碳纤维工业的发展。我国科技工作者发扬自力更生的精神,从无到有,逐步建成了碳纤维的工业雏型。20世纪70年代初突破连续化工艺,1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线,当时生产能力为2t/a。20世纪80年代开展了高强型碳纤维的研究,于1998年建成一条新的中试生产线,规模为40t/a。我国主要研究单位有中科院山西煤化所、上海合纤所、北京化工大学、山东工业大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等。 我国目前使用碳纤维量约占世界用量的1/5。巨大的市场潜力,供不应求的局面,必然促进我国碳纤维工业的发展。但是,要想进入竞争的市场,一是要保证产品的质量,二是要求价位相当。针对我国碳纤维工业的现状,需首先解决高性能PAN原丝的质量,在这基础上才有可能产业化,这是进市场的前提;同时,还需进行预氧化,碳化,石墨化设备及表面处理装置的工程化开发,使其形成规模化生产能力,才能在保证质量的基础上降低成本。目前,内内研究开发以及生产碳纤维的呼声很高,发展趋势令人鼓舞。 但由于对我国碳纤维产业发展的建议目前我国高性能碳纤维无论在质量上还是数量上与国外相比还有一定差距,远远满足不了需求。为此,尽快研究和发展我国自己的高性能碳纤维材料已迫在眉睫。碳纤维是一门多学科交叉、多技术集成的系统工程,质量的提升涉及到方方面面。以下几个方面应优先考虑。 1、提高PAN原丝质量 PAN原丝不仅影响碳纤维的质量,而且影响其产量和生产成本。换言之,只有高质量的原丝才能生产出高性能碳纤维,才能稳定生产,提高产量,降低成本。对于现代碳纤维

碳纤维材料性能及应用

碳纤维材料的性能及应用 碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电,具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。 碳纤维的微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构。另外,碳纤维是指含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。 性能特点: 碳纤维的比重小,抗拉强度高,轴向强度和模量高,无蠕变,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小,耐腐蚀性好,纤维的密度低,X射线透过性好。但其耐冲击性较差,容易损伤,在强酸作用下发生氧化,与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。总之,碳纤维是一种力学性能优异的新材料。 应用领域: 用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧,而且消耗动力少,推力大,噪音小;用碳纤维制电子计算机的磁盘,能提高计算机的储存量和运算速度;用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器,机械强度高,质量小,可节约大量的燃料。1999年发生在南联盟科索沃的战争中,北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应,其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云,这些导电性纤维使供电系统短路。 目前,人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维,只能采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)做原料,将有机纤维跟塑料树脂结合在一起,放在稀有气体的气氛中,在一定压强下强热炭化而成碳纤维是纤维状的碳材料,其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化(在3800K以上升华),而在各种溶剂中都不溶解,所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化:在空气中加热,维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构,以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化:在惰性气氛中加热至1200-1600度,维持数分至数十分钟,就可生成产品碳纤维;所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气,但一般多用高纯氮气。C石墨化:再在惰性气氛(一般为高纯氩气)加热至2000-3000度,维持数秒至数十秒钟;这样生成的碳纤维也称石墨纤维。碳纤维有极好的纤度(纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数),一般仅约为19克;拉力高达300KG/MM2;还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。目前,碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越,用途非常广泛,如制造火箭、宇宙飞船等重要材料;制造喷气式发动机;制造耐腐蚀化工设备等。羽毛球:现在大部分羽毛球拍杆由碳纤维制成。【碳纤维】carbon fibre 含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含

碳纤维的发展与现状

人员分工情况 资料收集:蔡煜简江婷婷宋爽韵周晓楠张领中英文摘要:蔡煜张领周晓楠 内容编写:发展部分简江婷婷宋爽韵 现状与差距部分蔡煜张领周晓楠排版校对:简江婷婷宋爽韵 宋爽韵 20110815023 简江婷婷 20110815036 蔡煜 20110815045 周晓楠 20110815047 张领 20110815050

碳纤维的发展与现状 学生:蔡煜简江婷婷宋爽韵周晓楠张领指导老师:秦文峰 摘要:简要介绍了碳纤维的性能、发展历史以及在航空航天领域中的应用,同时分析了国内外碳纤维的发展差距,给出了对我国碳纤维发展的建议。 关键词:碳纤维;碳纤维复合材料;应用领域;发展差距;发展建议 Abstract:The brief introduction of the performance and development history and application in the aviation&aerospace field of carbon fiber ,the analysis of the development gap of carbon fiber between home and abroad ,the advises of carbon fiber’s development to our country are given in this paper. Key words:carbon fiber;carbon fiber composites;application territory; development gap;development advises

碳纤维复合材料应用研究报告Word版

碳纤维复合材料应用研究报告 摘要:本文对碳纤维复合材料的应用进行了综述,介绍了目前碳纤维复合材料的优异性能、国内外发展现状及趋势及在其所应用领域中的发展前景。同时,也指出了碳纤维复合材料在应用和发展中所存在的问题,并给出了解决这些问题的对策及建议。 关键字:碳纤维,复合材料,应用前景 1 前言 碳纤维复合材料是以碳纤维为增强体与树脂、陶瓷及金属等基体复合而成的结构材料。碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量在90% 以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维除了具有十分优异的力学性能外,碳纤维还具有低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、穿透性高等优良性能[1]。基于此,到目前为止,用碳纤维与其他基体复合而成的先进基复合材料是目前用得最多,也是最重要的一种结构复合材料。 碳纤维复合材料与金属材料或其他工程材料相比有许多优良的性能,如表1-1所示[2]: 表1-1 各材料性能比较 通过比较可知,(1)碳纤维复合材料比强度是钢SAE1010(冷轧)的近20倍,是铝6061-T6 的近10倍;其比模量则超过这些钢和铝材的3倍。因此其具有高的比强度和比模量。(2)大多数碳纤维复合材料可通过设计增强纤维的取向及用量来对结构材料的性能实行剪裁,达到性能最佳。(3)碳纤维复合材料密度低,质量轻,能有效减轻构件重量。除此之外,碳纤维复合材料还有多选择性成型工艺、良好的耐疲劳性能及良好的抗腐蚀性等。

由于碳纤维复合材料具有优于其他材料的性能,世界各国都在大力发展碳纤维复合材料。2013年碳纤维复合材料总产值147亿美元,其中CFRP产值94亿美元,约占64%。碳纤维复合材料的需求7.2万t,2020年预计需求量将达14.6万t(图1-1),2010—2020年全球碳纤维复合材料年均增长率都将超过11%[3][4]。 2016、2020年的需求量为预测值。 图1-1 2011—2020年全球碳纤维和碳纤维复合材料的需求量 其中,欧洲的碳纤维复合材料需求占全球市场的40 %,美国占25 %,中国占20 %,其他国家与地区的碳纤维复合材料占市场份额在15 %上下。其中中国市场对碳纤维的需求每年也在逐步增加,中国碳纤维复合材料市场需求如图1-2所示: 图1-2 中国碳纤维复合材料市场需求 2015年,碳纤维制造商日本帝人公司扩大碳纤维复合材料合作领域,其目标是将他们

碳纤维发展现状及其发展趋势

碳纤维发展现状及其发展趋势 0 引言 高性能纤维是指耐热好、质量轻、强度高、高模量的特种纤维材料。作为高性能纤维的一种,碳纤维既有碳材料的固有本征,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代军民两用新材料,已广泛用于航空航天、交通、体育与休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。 碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维具有 十分优异的力学性能,是目前已大量生产的高性能 纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维,特 别是在2000℃以上的高温惰性环境中,碳材料是唯 一强度不下降的物质,是其他主要结构材料(金属及 其合金)所无法比拟的。除了优异的力学性能外, 碳纤维还兼具其他多种优良性能,如低密度、耐高 温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、 电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高,非磁 体但有电磁屏蔽性等。 作为高性能纤维的一种,碳纤维既有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是先进复合材料最重要的增强材料,已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用,从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此,碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表,为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面,发挥着非常重要的作用,对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义,对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。 1国内外碳纤维的发展现状1.1 国外碳纤维的发展现状 碳纤维的起源可追溯到19世纪后期,美国人爱迪生(Edson)用碳丝制作灯泡的灯丝,从而发明了电灯,给人类社会带来了光明。但是在20世纪初期,美国通用电器公司的库里基(Coolidge)发明了用钨丝取代碳丝作为灯丝,并

碳纤维的应用领域及前景

碳纤维的应用领域及前景 carbonfibre application 作者(writer):杨成刚 Gang chengyang 摘要(Abrtrant): 1 碳纤维的成分结构 2 碳纤维的应用领域 3 碳纤维的发展前景 关键词(Keywords) 乱层石墨复合材料关键材料军工业民用行业潜力极大 正文(Text) 碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构。碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比钢高。材料的比强度愈高,则构件自重愈小,比模量愈高,则构件的刚度愈大,从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能,不少人预料,人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。碳纤维编织布 碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外,一般不单独使用,多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。碳纤维 1994年至2002年左右,随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究,使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。现在国内已经有使用长纤碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处。同时,碳纤维发热产品,碳纤维采暖产品,碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭。碳纤维是军民两用新材料,属于技术密集型和政治敏感的关键材料。以前,以美国为首的巴黎统筹委员会(COCOM),对当时的社会主义国家实行禁运封锁政策,1994年3月,COCOM虽然已解散,但禁运封锁的阴影仍笼罩在上空,先进的碳纤维技术仍引不进来,特别是高性能PAN基原丝技术,即使我国进入WTO,形势也不会发生大的变化。因此,除了国人继续自力更生发展碳纤维工业外,别无其它选择。因此,国外尤其是碳纤维生产技术领先的日韩等国对中国的碳纤维材料及制品的出口一直保持相当谨慎的态度,只有为数很少的中国企业能够与其建立合作关系,拥有其产品的进口渠道。碳纤维广泛用于民用,军用,建筑,化工,工业,航天等领域。 ------------ 在人们印象中,碳纤维更多地与航空航天、军工产品及国防建设联系在一起,由于投资门槛高、技术难度大,特别是日本东丽 30 年"修得正果"的经历,一度让技术与资金均相对薄弱的中国化纤企业望而却步,导致了中国碳纤维长期严重依赖进口的状况。然而, 2004 年以来国际市场上出现以碳纤维为代表的高性能纤维供不应求的局面,已不仅仅影响到我国

碳纤维增强复合材料概述

碳纤维增强复合材料概述 摘要:本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍,详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字:碳纤维,复合材料,应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料,按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料,到目前为止,主要的发展方向是结构复合材料,但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料(constituent materials),它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言,组分材料包括基体和增强体,基体是复合材料中的连续相,其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷;增强体是复合材料中承载的主体,包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体,其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维,按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维,而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料,直径范围在6~8 μm 内,是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类:聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维,分别用聚丙烯腈原丝(称之为前驱体)、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺,使纤维中的氢、

碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势

国内外碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势 自上世纪60年代碳纤维首次商业化以来,产业规模不断扩大,产品品质不断提高,2014年全球碳纤维产能(365天连续生产12K/24K 碳纤维丝束计算)已达到12.6万吨。尽管碳纤维与传统的玻璃纤维在价格上仍不能相比,但高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等突出特点,具有玻璃纤维所不能比拟的优势,已成为发展先进武器装备的关键材料,并在航空航天、国防军工、风能产业、土木工程、体育休闲等领域得到了广泛应用。 当前,国际复合材料产业呈现蓬勃发展态势,据估计,未来5年,先进复合材料将以每年5%的增速发展,而随着民用航空、汽车工业等领域的快速发展,全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%,亚太地区将会有更高的增长率,即碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。 因此,在目前碳纤维产业快速发展的关键时期,我们更应该认清国际碳纤维产业的发展形势、对照国外先进企业找差距找问题,通过理性思考寻求解决途径,适时把握发展机遇,落实行动、注重实效,努力推进国内碳纤维及其复合材料产业的健康快速发展。 1、国外碳纤维产业现状及发展趋势 1)产业方面 根据前躯体原料的不同,碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基碳纤维等。由于粘胶基碳纤维在制备过程中会释放出毒

性物质二硫化碳,且工艺流程长、生产成本高、整体性能不高,因此目前,国际碳纤维产业领域,前两种碳纤维获得了更大规模的生产和应用。其中,PAN基碳纤维又占据绝对优势,国际市场占有率超过90%。PAN基碳纤维的九大生产商包括:日本东丽、东邦、三菱丽阳、美国赫氏(Hexcel)、氰特(Cytec)、卓尔泰克(Zoltek,已被东丽收购)、台塑、土耳其阿克萨(AKSA)和德国西格里(SGL)。沥青基碳纤维的生产和应用居其次,主要生产企业三家,分别是Cytec、三菱塑料和日本碳素纤维。 PAN基碳纤维分为小丝束(1-24K)和大丝束(36K及以上)两类。全球小丝束碳纤维市场主要被日本东丽、东邦、三菱丽阳三家公司所垄断,而来自中国、土耳其和韩国的企业,正不断扩充小丝束的全球产能,同时也降低了三家日本公司的市场份额。 大丝束碳纤维生产商主要有Zoltek、SGL和三菱丽阳三家。另外,中国国企蓝星集团英国分公司拥有大丝束碳纤维原丝的供应能力,Cytec于2014年与德国腈纶企业合作开展低成本大丝束碳纤维的研制开发。预计在未来10年中,其它制造商也会陆续加入大丝束碳纤维生产领域。 为满足高速发展的航空航天与汽车市场对碳纤维的需要,几乎所有的碳纤维巨头都宣布了扩产计划。例如,日本东丽拥有以日本本土为核心的日美法韩4个生产基地,目前已形成11000~12000吨/年的T700S和4500吨/年的T800碳纤维生产能力,并宣布PAN基碳纤维的总产能于2015年达到27100吨,2020年扩大至50000吨。另外,Hexcel

增强材料-碳纤维

碳纤维 碳纤维(Carbon Fibre, CF或Cf)的开发历史可追溯到19世纪末期,美国科学家爱迪生发明的白炽灯灯丝,而真正作为有使用价值并规模生产的碳纤维,则出现在二十世纪50年代末期。 1959年美国联合碳化公司(Union Carbide Corporation,UCC)以粘胶纤维(Viscose firber)为原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维(Rayon-based carbon firber)。 1962年日本炭素公司实现低模量聚丙烯脂基碳纤维(Polyacry lontrile--based carbon firber,PANCF)的工业化生产; 1963年英国航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment,RAE)开发出高模量聚丙烯脂基碳纤维; 1965年日本群马大学试制成功以沥青或木质素为原料的通用型碳纤维; 1970年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维Pitch-based carbon fiber的工业规模生产; 1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol”的酚醛纤维Phenolic fibers; 1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维(Fibrous activated carbon)投放市场。 1988年,世界碳纤维总生产能力为10054吨/年,其中聚丙烯腈基碳纤维为7840吨,占总量的78%。日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国,生产能力约3400吨/年,占总量的43%。 美国的碳纤维主要用于航空航天领域,欧洲在航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡,而日本则以体育器材为主。 碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳,是一种非金属材料。 碳纤维不属于有机纤维范畴,但从制备方法上看,它又不同于普通无机纤维。 碳纤维的分类 当前,国内外巳商品化的碳纤维种类很多,一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和碳纤维的用途等三种方法进行分类。 ◆按前驱体纤维原料的不同,可分为粘胶基碳纤维、聚丙烯腈碳纤维、沥青基碳纤维和气相生 长碳纤维; ◆按纤维力学性能分类,可分为通用级碳纤维(GP)和高性能碳纤维(HF),其中高性能碳纤维包 括中强型(MT)、高强型(HT)、超高强型(uHT)、中模型(1M)、高模型(HM)、超高模型(UHM); ◆按照制造方法分类,可分为碳纤维(800-1600℃)、石墨纤维(2000-3000℃)、氧化纤维(预氧丝 200-300℃)、活性碳纤维和气相生长碳纤维; ◆按照碳纤维应用领域分类,可分为商品级碳纤维和宇航级碳纤维。 碳纤维制法 碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料。它不同于有机纤维或无机纤维,不能用熔融法或溶液法直接纺丝,只能以有机物为原料,采用间接方法制造。 碳纤维制造方法可分为两种类型,即气相法和有机纤维碳化法。 气相法是在惰性气氛中,小分子有机物(如烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。 用这种方法只能制造晶须或短纤维,不能制造连续长丝。 有机纤维碳化法可以制造连续长纤维,它通常分为两步进行: ①将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维; ②在惰性气氛中,于高温下进行焙烧碳化,使有机纤维失去部分碳和其它非碳原子,形成以碳为主要成分的纤维状物。 天然纤维、再生纤维和合成纤维都可用来制备碳纤维。 制备碳纤维时,选择的条件是加热时不熔融,可牵伸,且碳纤维产率高。 制作碳纤维的主要原材料有三种: ①人造丝(粘胶纤维); ②聚丙烯腈(PNN) 纤维; ③沥青。

碳纤维及其复合材料的发展及应用_上官倩芡

第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un 碳纤维及其复合材料的发展及应用 上官倩芡,蔡泖华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势. 关键词:碳纤维;复合材料 中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05 碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍. 1碳纤维特性、结构及分类 碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以上的高性能纤维材料.碳纤维主要具备以下特性:1密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;o强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;?热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;?摩擦系数小,并具有润滑性;?导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;?耐高温和低温性好,在3000e非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;?耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性. 碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向.用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构[8],如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐.处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同.层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性 收稿日期:2008-01-04 基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034). 作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.

相关文档
最新文档