我国碳纤维的发展现状及建议

［］ 美国占 全 球 产 能 的 ２ ７． ５％ ２ 。 图 １ 列 出 了 ２ ０ ０ ９年世
图 ２ ２ ０ ０ ５－２ ０ ０ ９ 年世界碳纤维的生产能力
表１ 是 近 几 年 世 界 碳 纤 维 的 主 要 应 用 领 域 分 布， 航 空 航 天、 体育休闲三大领域的应 ２ ０ ０ ８ 年工业 领 域 、 用量比为 ５ ６∶３ ０∶１ ４。 １． ２ 国内的碳纤维产能 国内自 ２ 进 ０世纪６ ０ 年 代 开 始 碳 纤 维 研 究 开 发， 展一直很缓慢 ， 但“ 十 五” 以来我国碳纤维产业得到了 空前的发展 ， 在低等级碳纤维方面取得了突破 ， 形成了
１ ２ Ｋ ＤＭＳ Ｏ Ｋ， １ ２ Ｋ ６ ＤＭＳ Ｏ Ｋ， １ ２ Ｋ ６ ＤＭＳ Ｏ Ｋ～１ ２ Ｋ １ １ ２ Ｋ ＤＭＳ Ｏ Ｋ， １ ２ Ｋ ６ ＤＭＳ Ｏ Ｋ， １ ２ Ｋ ６ ＤＭＳ Ｏ ＤＭＳ Ｏ ＤＭＳ Ｏ １ Ｋ， ３ Ｋ １ ２ Ｋ １ ２ Ｋ ＤＭＳ Ｏ
表 ２ 国内 Ｐ ＡＮ 碳纤维原丝和碳纤维主要生产厂产能
单 位 江苏恒神材料有限公司 连云港中复神鹰碳纤维公司 上海金山石化 蓝星集团 吉林奇峰化纤公司 沈阳中恒新材料有限公司 吉林奇峰化纤公司 威海拓展碳纤维有限公司 河北硅谷化工有限公司 含已建和在建 ） 总计 （ 原丝 （ 碳纤维 ） ／ ｔ ７ ５ ０ ０（ ３ ０ ０ ０） （ ３ ０ ０ ０ １ ２ ２ ０） ３ ０ ０ ０（ １ ０ ０ ０） ３ ０ ０ ０（ １ ０ ０ ０） ２ ０ ０ ３ ０ ０ ０（ １ ０ ０ ０） ２ ５ ０（ １ ７ ５） １ ５ ０ ０（ ５ ０ ０） ２ ０ ０ ３ ０ ０ ０（ １ ０ ０ ０） １ ３ ０（ ５ ０） ２ ５ ０ ０（ １ ０ ０ ０） １ ５ ０ ０（ ６ ０ ０） ２ ９ ５ ４ ５（ １ １ ９ １ ５） 方 法 ＤＭＳ Ｏ ＤＭＳ Ｏ Ｎ ａ Ｓ ＣＮ Ｎ ａ Ｓ ＣＮ 规 格 １ ２ Ｋ １ ２ Ｋ １ ２ Ｋ 备 注 在建 已建 在建 在建 已建 在建 已建 在建 已建 在建 已建 在建 在建
·５· ０ １ ２ 年第 １ 期 进展与述评 ２
我国碳纤维的发展现状及建议
冯 丽１， 闻艳萍２
（ 天津工业大学 ， 天津 ３ １． ０ ０ ３ ８ ７； ） 天津纺织工程研究院有限公司 ， 天津３ ２． ０ ０ ３ ０ ８ 摘 要： 介绍了国内外碳纤维的发展现状 ， 综述了碳纤维的主要发展应用领域 ， 针对碳纤维的发展趋势和国内外 存 在 的差距 ， 提出了发展我国碳纤维的一些建议 。 关键词 ： 碳纤维 ； 产能 ； 应用 ； 发展差距 ； 发展建议 中图分类号 ： Ｔ Ｓ １ ０ ２ ． ４ 文献标识码 ： Ａ （ ） 文章编号 ： １ ６ ７ ３－０ ３ ５ ６ ２ ０ １ ２ ０ １－０ ０ ０ ５－０ ４
０％ 碳纤维是指在化学组成中碳元素质量分数在 ９ 以上的纤维材料 。 它是利用各种有机纤维在惰性气 体 中、 高温状态下 碳 化 制 得 的 。 碳 纤 维 具 有 十 分 优 异 的 同时兼具其他多种优良性能如低密度 、 耐高 力学性能 ， 温、 耐 腐 蚀、 耐 摩 擦、 抗 疲 劳、 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 性 能。 碳纤维按工业化生产原料路线可分为聚丙烯腈基碳纤 沥青基碳纤 维 和 粘 胶 基 碳 纤 维 三 大 类 。 从 粘 胶 纤 维、 维、 沥青制取碳 纤 维 技 术 难 度 大 ， 设 备 复 杂， 产品成本 较高未得到大规模发展 。 由聚丙烯腈纤维原丝可制 得 高性能的碳纤维 ， 其生产工艺较其他方法简单 ， 且产 品 的力学性能优 良 ， 用 途 广 泛。 因 而 自 碳 纤 维 问 世 以 来 成为当今碳纤维工业生产的主 流 。 取得了长足的发展 ， 根据产品规格的不同聚丙烯腈 （ 基碳纤维分两大 Ｐ ＡＮ） 。通 类， 即小丝束碳 纤 维 （ 和大丝束碳纤维（ Ｃ Ｔ） Ｌ Ｔ） 常把 ４ 包括４ ８ Ｋ 以 上 碳 纤 维 称 为 大 丝 束 碳 纤 维， ８ Ｋ、 小丝束碳纤维初期以 ６ ０ Ｋ、 １ ２ ０ Ｋ、 ３ ６ ０ Ｋ 和４ ８ ０ Ｋ 等； 后来逐渐发展到 １ 主要应 １ Ｋ、 ３ Ｋ、 ６ Ｋ 为主 ， ２ Ｋ 和２ ４ Ｋ，
·７· ０ １ ２ 年第 １ 期 进展与述评 ２ １ ５％ ， Ａ ３ ２ ２ 则在 １ ５％ ～１ ６％ 。２ １世纪以来美国波音 公司大力 开 展 先 进 复 合 材 料 在 民 用 飞 机 上 的 应 用 研 究， 取得了很大成 绩 ， 如Ｂ ７ ８ ７先进复合材料的用量高 达５ ０％ 。 同期欧洲空中客车公司大型客机 Ａ ３ ８ ０上先 进复合材料的用量也在 ２ ５％ 左右 。 １ ． ３ ． ３ 建筑加固领域 目前 对 工 程 建 筑 的 要 求 越 来 越 高 ， 在有些条件下 传统建筑材料很 难 满 足 这 种 发 展 要 求 ， 混凝土材料建 筑物在 ２ ０～３ ０ 年就必须进行大修或维修加固 。 此 外 ， 随着国家抗震要 求 和 设 防 标 准 的 提 高 ， 许多地区的现 有建筑不能满足 新 设 防 的 抗 震 要 求 ， 需要进行加固或 重建 。 在欧美发 达 国 家 中 ， 目前用于建筑加固改造的 ／ 投资已占国家建筑业总投资的 １ ２ 以上 。 由于土 建 结 使得它 构常用的几种传 统 加 固 方 法 存 在 某 些 局 限 性 ， 们不能满足一些 耐 久 性 和 美 观 方 面 的 需 求 ， 或受到施 工条件制约而无法实施 。 纤维 增 强 复 合 材 料 的 比 强 度 远 高 于 钢 材 ， 比模量 大多数也高于钢材 。 这一优良的力学性能使其作为 土 美国 、 欧洲等国 家 木工程结构加固和修补材料在日本 、 和地区得到了大量的推广应用 。 碳纤维材料具有与 钢 材相当的弹性模 量 ， 同时表现出比普通钢材高十倍的 抗拉强度 ， 其耐 腐 蚀 性 能 和 耐 久 性 能 也 很 优 异 。 因 此 用碳纤维补强混凝土结构时不需要增加螺栓和铆钉固 定， 抗蚀和耐久性能也很优异 ， 对原混凝土结构扰动 较 施工工艺简便 。 小， 抗 度的离散系数从当初的 ７％ 降低到目前的 ２％ 左 右 ， 拉弹 性 模 量 的 离 散 系 数 从 ４％ 降 到 目 前 的 １％ 。 因 此 未来碳纤维技术指标的逐步升级及产品系列化发展 是 其未来发展的必然趋势 。 由于碳纤维复合材料具有高比强度 、 设 计 性 好、 结 构尺寸稳定性好 、 抗疲劳断裂性好和可大面积整体成 型， 以及特殊的电磁性能和吸波隐身的特点 ， 可大 量 用 于生产军用 、 民用飞机及战略导弹和运载火箭上 ， 因此 碳纤维复合材料的需求量稳步增长 。
界主要公司的碳纤维产能分布 。 ， 初步统计 ２ 大丝 ０ ０ ９ 年小丝 束 生 产 能 力 ５ ６ ４ １ ５ｔ ， 。图 束生产能力 ２ 总计生产能力达到 ８ ４ ５ ０ ０ｔ ０ ９ １ ５ｔ
； 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ ２ ０ １ ０ ９ ２ ０ １ ２ ０ １ １ ７ － － － － ， 作者简介 ： 冯 丽（ 女， 高级工程师 ， 主要从事纺织科技及科研项目 １ ９ ６ ５ －） ： 管理 ， Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｆ ｚ ｋ ６ ３． ｃ ｏ ｍ。 ＠１ ｇ ｊ ｊ
］ ３－５ ， 全国十多个省 市 ［ 据统计２ ０ ０ ９年国内的产量在１ ７］ 。 潜力的应用领域 ［
１ ． ３ ． １
风能领域
鉴于全球能源紧缺的影响及人们对环境保 护 意 识 的提高 ， 开始把 眼 光 投 向 风 力 发 电 。 每 生 产 １ 千 瓦 时 风电较火力发 电 少 排 放 约 ６ 因此风力 ０ ０ｇ 二 氧 化 碳 ， 发电越来越受到 世 界 各 国 的 重 视 ， 已成为人类开发新 能源的重要领域 。 在 ２ 全球风电总装 机 容 量 达 ０ １ ０年， 发电量超过 ４ 占世界电 １ ９ ９ ５ ２ ０ ＭＷ ， ０ ９ ９ 亿 ｋＷ ·ｈ， 力总发电量 的 １． ９ ２％ 。２ ０ １ ０年中国风电新增装机容 量达到 １ 比２ 占全球 ８ ９ ２ ８ ＭＷ ， ０ ０ ９ 年提高了 ３ ７． ７％ ， 超过美国成为世界第一大风电市 新增装机容量 ４ ８％ ， 场 。 如何提高发电效率 ， 以获得更大的风能 ， 一直是风 力发电追求 的 目 标 。 捕 风 能 力 的 提 高 与 叶 片 的 形 状 、 长度和面积有着 密 切 的 关 系 ， 叶片尺寸的大小则主要 依赖于制造叶 片 的 材 料 。 叶 片 的 材 料 越 轻 、 强度和刚 度越高 ， 叶片抵御载荷的能力就越强 ， 叶片就可以 做 得 越大 ， 它的捕风能力也就越强 。 过去 ， 人们大量 使 用 玻 制造叶片 。 璃纤维增强塑料 （ Ｇ Ｆ Ｒ Ｐ） 随着超大型叶片的出现 ， 叶片长度不断 增 加 ， 叶片 对增强材料的 强 度 和 刚 度 等 性 能 也 提 出 了 新 的 要 求 ， 玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性 能 方面的不足 ， 因而轻质高强 、 耐久性好的碳纤维复 合 材 料就成为了目前大型风力发电叶片的首选材料 。 据 分 ／ 析， 采用 Ｃ 叶片可减重 ２ Ｆ Ｇ Ｆ Ｒ Ｐ 混杂增强的方案 ， ０％ ０％ 。 国内正在研发于 ２ ＭＷ 以上的风力发电叶片 ～４ 上使用碳纤维复合材料 。 １ ． ３ ． ２ 航空领域 碳纤维复合材料具有比强度 、 比模量高 ， 耐疲劳和 尺寸稳定性好等 系 列 优 点 ， 是新一代武器装备发展的 基础材料 ， 被广泛用作飞机和飞船的结构材 料 。 例 如 ， 飞机的主翼 、 尾翼和机体一次构造材料 ； 副翼 、 方 向 舵、 升降舵 、 内装材料 、 地板材 、 桁梁 、 刹车片等二次 构 造 材 料， 以及直升飞 机 的 叶 片 ； 火 箭 的 排 气 锥 体、 发动机盖 等； 人造卫星结构体 、 太阳能电池板和天线 、 运 载 火 箭、 导弹壳体等 。 从民用飞机发展来看 ， 美国波音公司 Ｂ ７ ０ ７ 上没有 采用复合材料 ， ７ ５ ７ 先进复合材料的用量 为 ３％ ～４％ ， Ｂ ７ ６ ７ 达到 ４％ ～５％ ， Ｂ ７ ７ ７则达到１ ０％ ～１ １％ 。 欧 洲 空中客车公司 的 复 合 材 料 用 量 比 美 国 波 音 公 司 的 高 ， 到Ａ Ａ ３ ０ ０－６ ０ ０ 达 ５％ ～６％ ， Ａ ３ １ ０接近１ ０％ ； ３ ２ １、 Ａ ３ ３ ０和 Ａ ３ ４ ０的先进复合材料用量都增长到 １ ３％ ～