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碳纖維行業深度報告:下游應用領域廣闊,國內增長空間巨大
時間:2020年08月28日 來源:本站原創  作者:佚名 瀏覽次數:

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碳纖維百年發展史:美日歐技術從 0 到 1,長期迭代打造高壁壘

    碳纖維(Carbon Fiber)是由有機纖維在高溫環境下裂解碳化形成碳主鏈結構的無機纖維,含碳量高于 90%,具有目前其他任何材料無可比擬的高比強度和高比剛度,還具有低比重、 耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、膨脹系數小等特性,被譽為“新材料之王”,廣泛應用于國防 工業以及高性能民用領域,主要包括——航空航天、海洋工程、新能源裝備、工程機械、 交通設施等,是一種國家亟需、應用前景廣闊的戰略性新材料。

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2 烯腈(PAN)基碳纖維的制備與應用

      完整的碳纖維產業鏈包含從一次能源到終端應用的完整制造過程。我們以目前主流碳纖維-聚丙烯腈(PAN)基碳纖維為例,其制備方法如下:從石油、 煤炭、天然氣均可以得到丙烯,丙烯經氨氧化后得到丙烯腈,丙烯腈聚合和紡絲之后得到聚丙烯腈(PAN)原絲,原絲經過整理后,送入氧化爐制得預氧化纖維(俗稱預氧絲),預氧絲進入碳化爐制得碳纖維,碳纖維經表面處理、上漿即可得到碳纖維產品。在制備碳纖維的同時還可制成碳纖維織物和碳纖維預浸料,作為生產碳纖維復合材料的原材料;碳纖維經與樹脂、陶瓷等材料結合,形成碳纖維復合材料,最后由各種成型工藝得到下游應用需要的最終產品。

3  瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維與聚丙烯腈(PAN)基碳纖維的比較


      三種碳纖維在生產工藝上較為類似。在生產工藝上,瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維與聚丙烯腈(PAN)基碳纖維較為類似,都經歷了由原絲——預氧化——碳化的過程, 主要區別在于前處理工序上:聚丙烯腈(PAN)原絲通過丙烯腈的聚合反應再經過紡絲可以得到,瀝青纖維可以通過原料瀝青的縮聚反應和紡絲工藝制備,粘膠基碳纖維較其他兩種碳纖維多了水洗和催化浸漬的步驟。

     三種碳纖維在性能上各有所長。碳纖維具有高強度、高模量、低密度、耐高溫等一系 列優異的性能,三種原絲制造的碳纖維具有一定的通性,但在具體的性能上各有所長。相對而言,聚丙烯腈基碳纖維具有更強的綜合性,也是目前的主流碳纖維,其中最突 出的優勢是力學強度與彈性模量;聚丙烯腈基碳纖維的主要不足在于生產過程中影 響因素較多,小絲束性能優越但生產價格過高,這在一定程度上制約了聚丙烯腈基碳 纖維的發展。粘膠基碳纖維具有更顯著的輕量效果、導熱系數小、堿土金屬含量低、 生物相容性好等特點;主要不足是由于實際生產中操作條件難以控制,會生成左旋葡 萄糖等副產物造成實際碳收率較低, 碳纖維強度不理想,此外還存在整體性能相對較差、工藝條件苛刻、生產成本較高等問題。瀝青基碳纖維具有低熱膨脹、耐磨耐疲 勞、廣泛的彈性模量、導熱性好等特點,但目前國內在瀝青基碳纖維方面的研發水平 較國外還有很大差距,高性能瀝青基碳纖維還處于研發階段,產品的穩定性和設備的 合理性還需要經過長期的技術積累。

4 中國碳纖維生產技術目前的發展情況


      2019年中國碳纖維的總需求為:37,840噸,對比2018年的31,000噸,同比增長了22%,其中,進口量為25,840噸(占總需求的68%,比2018增長了17.5%),國產纖維供應量進步,國產碳纖維產能逐步釋放,連續兩年超過30%的高速增長,替代趨勢明顯預計在2025年前后,國產碳纖維在中國市場占比有望超過進口。這種國產占有率的大幅度增長與國內碳纖維制造技術和相關應用技術的進步密不可分。

技術相繼突破,國產碳纖維相繼投產 :

       中國小絲束碳纖維材料發展始于軍用,目前航空航天為重要應用領域。碳纖維復合材料是大型整體化結構的理想材料。與常規材料相比,碳纖維復合材料可使飛機減重 20%-40%,并有能力克服金屬材料容易出現疲勞和被腐蝕的缺點,增強了飛機的耐用性;復合材料的良好成型性可以使結構設計成本和制造成本大幅度降低。在軍用航空領域得到了廣泛應用和快速發展,碳纖維復材滲透率不斷上升。

      近幾年來,中國T700與T800級軍用碳纖維材料生產技術逐漸成熟。比如中復神鷹公司旗下投產的T700生產線是目前世界上第三個采用干噴濕紡工藝體系的商業化生產線, 2014年獲得中國建筑材料集團有限公司科學技術獎進步類一等獎,具有重要的戰略意義。中復神鷹的這套濕紡法系統,包括適用于干噴濕紡的均質化聚合系統、低擾度空氣層纖維成型系統以及高速高倍蒸汽牽伸系統。項目自主開發設計了快速換熱的全混式60立方米聚合釜、干噴濕紡纖維成型裝備、蒸汽牽伸裝備、全套碳化關鍵裝備以及高效溶劑回收和廢氣處理系統。目前國產T700已經成功應用于風力葉片、電纜復合芯、壓力容器和交通運輸等新興工業領域,并初步用于某航空機型和某航天設備。

       目前,碳纖維的主要應用領域有航空航天、汽車制造、體育休閑、建筑和工業機械、風電葉片、壓力容器等領域。其中航空航天為最大的碳纖維應用市場,此外,受風電裝機產能增長、國家氫能源項目推進落地、新能源汽車滲透率不斷增高等因素影響,風電、壓力容器、汽車用碳纖維市場將迎來發展良機。

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