目前仍在全球蔓延的新型冠狀病毒及嚴(yán)峻的國際形勢，改變了世界碳纖維 ( CF) 及其復(fù)合材 料 ( CFＲP)的市場分配格局，加速了我國 CF 產(chǎn)業(yè)鏈追趕國外先進(jìn)國家的進(jìn)程。與疫情相關(guān)的醫(yī)療設(shè)備供不應(yīng)求，而世界民用飛機市場卻出現(xiàn)低迷，但軍用飛機等與國防軍工相關(guān)的產(chǎn)業(yè)卻快速發(fā)展。另外，當(dāng)前氣候變化對全球的影響愈來愈突顯，各國比任何時候都認(rèn)識到控制碳排放的重要性。我國已向世界宣告2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年達(dá)到碳中和的時間表，從而極大地推動節(jié)能減排和環(huán)保相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如新能源汽車、高鐵和其他交通運輸工具的輕量化和節(jié)能化等。此外，全球正處于第五期地震活躍期，而且將持續(xù)很長時間，為此各種建筑物及重要設(shè)施的耐震補強，更顯重要。雖受到眾多不利因素影響，但我國CF產(chǎn)業(yè)發(fā)展不僅沒有減緩，反而加速發(fā)展。本文介紹全球CF及CFＲP工藝技術(shù)高效化、節(jié)能化、規(guī)模化和低成本化的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用新進(jìn)展，供參考和借鑒。

一、碳纖維及其原絲發(fā)展新形勢和新動態(tài)（一）國內(nèi)1、碳纖維及其原絲由于前述原因，我國首次出現(xiàn)了碳纖維供不應(yīng)求的局面，大企業(yè)繼續(xù)擴大產(chǎn)能，而新加入的 企業(yè)不斷出現(xiàn)，使我國的布局趨于合理化。中復(fù)神鷹公司在西寧首條6000 t/a聚丙烯腈基碳纖維 ( PAN－CF) 生產(chǎn)線及配套原絲生產(chǎn)線，已于2020年12月試車成功，2022年將達(dá)到1萬 t /a 總產(chǎn)能。光威復(fù)材公司在包頭1萬t /a PAN－CF 及其配套原絲項目一期工程 (2 000 t /a) ，在2022年投產(chǎn)，并應(yīng)用于風(fēng)電葉片上。寶武鋼鐵集團(tuán)除利用其副產(chǎn)瀝青研發(fā)瀝青基碳纖維 (P－CF) 外，最近收購了浙江精功集團(tuán)的PAN－CF 業(yè)務(wù)部，并發(fā)展下游CFＲP產(chǎn)業(yè)鏈。其中精功科技公司完成了首條千噸級 PAN－CF 生 產(chǎn)線國產(chǎn)化，成為我國首家擁有PAN基和瀝青基CF的廠家，類似日本三菱化學(xué)，對產(chǎn)品互補應(yīng)用有利。藍(lán)星纖維有限公司的1600t /a 50KPAN－CF及3400t /a 原絲生產(chǎn)線將滿負(fù)荷生產(chǎn)，并探索在淄博再上一條新生產(chǎn)線近一年來，網(wǎng)上頻繁報道開工籌建碳纖維的消息，其中河南碳纖維工業(yè)研究院先后在甘肅張 掖和新疆霍爾果斯籌建萬噸PAN－CF 生產(chǎn)線，但未見有后續(xù)行動。廣東金輝碳纖維材料科技有限公司投資30億元在廣東茂名分階段興建5萬t/aPAN 原絲、2萬t /a CF及4萬 t /a CFＲP生產(chǎn)線。最近該公司在淄博化工園區(qū)投資22億元，將利用天辰齊翔公司的丙烯腈原料，建設(shè)10萬t/a高性能CF的PAN原絲廠。杭州超探公司在浙江龍游縣將興建 1 萬 t /a PAN－CF及2500 t /a C /C 復(fù)合材料及碳素制品生產(chǎn)線等，總投資 32 億元。根據(jù)廣州賽奧公司的初步統(tǒng)計，2020年我國PAN－CF的進(jìn)口量為30351 t，國產(chǎn)量為18 500 t，總需求量為48851 t，而2021年進(jìn)口量為33064. 56 t，產(chǎn)量24302 t，消費量52 549. 07t?？上驳氖抢^光威復(fù)材、常州中簡和吉林化纖三家CF及原絲公司上市后，中復(fù)神鷹公司也在科創(chuàng)板首發(fā)過會。在通用級和中間相瀝青基碳纖維 ( MP－CF) 方面，經(jīng)過多年前赴后繼的艱苦攻關(guān)，取得了突破性進(jìn)展。在這期間，高等院校等起到了關(guān)鍵作用，天津大學(xué)在呼和浩特建有500 t /a 通用級P－CF 生產(chǎn)企業(yè)，同時與內(nèi)蒙古慶華集團(tuán)騰格里精細(xì)化工有限公司合作開展中間相瀝青的中試研究，為研發(fā)高性能MP－CF 打基礎(chǔ)。在 MP－CF 方面，湖南大學(xué)東映碳材料科技有限公司20 噸/a中試線產(chǎn)品質(zhì)量、性能水平和產(chǎn)品穩(wěn)定性，居國內(nèi)領(lǐng)先水平 ( 圖 1) 。

圖1? 湖南東映碳材料的MP-CF及應(yīng)用北京化工大學(xué)、中科院山西煤化所等，也在早期與企業(yè)合作生產(chǎn)P－CF。目前無論石油基還 是煤基，或者通用級和中間相P－CF，與日本、美國差距仍較大。2、?復(fù)合材料我國PAN－CF 龍頭企業(yè)之一———光威復(fù)材公司，已形成PAN原絲及CF、通用新材料 ( 系列樹脂、混雜纖維等) 、新能源材料、復(fù)合材料及精密機械五大板塊產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品。在CFＲP成型工藝的改進(jìn)方面，我國也取得了長足的進(jìn)步，快速固化劑的應(yīng)用，使成型時間縮短至2 ～5 min。在非熱壓罐成型技術(shù)方面，液體成型技術(shù)的LCM工藝我國起步較晚，與國外差距較大，然而在液體成型工藝低成本化、高整體化方面發(fā)展很快。中國航空制造技術(shù)研究院在成型工裝設(shè)計、預(yù)制體縫合、整體成型化工藝、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成型等方面均取得了技術(shù)突破，在ＲTM法制作多墻整體翼面結(jié)構(gòu)、研制 2 m 正弦波紋梁、 用ＲFI工藝縫合技術(shù)生產(chǎn)帽型加筋壁板等方面，均通過了試驗考核; 在使用 CC300/BA9913 CF預(yù)浸料及 00A成型工藝研制30 mm 厚板結(jié)構(gòu)方面，內(nèi)部孔隙率小于1. 5% ，無損檢測合格，總體質(zhì)量優(yōu)良。這些重要技術(shù)的突破，對發(fā)展高性能軍機無疑起到技術(shù)保障作用。我國對CFＲP結(jié)構(gòu)部件和C/C剎車片復(fù)合材料的研發(fā)，對我國空中飛車、懸空軌道車、高鐵 的進(jìn)一步提速等，同樣起到技術(shù)和材料支撐作用。在新能源汽車方面，為確保鋰電池充一次電能續(xù)航500km以上，目前需要重達(dá)800～000 kg的電池堆。因此，汽車結(jié)構(gòu)材料的輕量化和 CFＲP化是迫切需求，需要進(jìn)一步降低大絲束 PAN－CF及其結(jié)構(gòu)件的成本。氫燃料電池汽車的快速推進(jìn)，促進(jìn)了相配套的CF纏繞超高壓儲罐、車載高壓氫氣瓶及電極材料等的發(fā)展。我國目前CFＲP高壓容器的耐壓性與國際水平仍有較大差距，雖然我國已建成多個加氫站，但儲氫罐最高耐壓只有70 MPa，只能充35～40 MPa;而國外車載氫氣瓶耐壓高達(dá)80～90MPa。在風(fēng)能方面，世界著名風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)維斯塔斯 (Vestas) 已分別與光威復(fù)材、奧神新材 等公司合作，這推動了我國CF的發(fā)展。在光伏領(lǐng)域，隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，單晶硅和多晶硅爐子的C /C復(fù)材保溫材料的需求大增。目前，C /C復(fù)材生產(chǎn)商已有金博股份公司和中天火箭公司兩個上市公司。湖南碳谷新材料公司和泛碳新材料公司是C /C復(fù)材生產(chǎn)行業(yè)的后起之秀。在舊葉片回收利用方面，我國已開始起步; 而CFＲP回收再利用，國內(nèi)已形成上海交大合作 企業(yè)和重慶宸晟新材料公司集中處理。（二）國外1、東麗公司東麗公司根據(jù)全球疫情及應(yīng)對氣候變化對碳纖維產(chǎn)業(yè)的影響，對其公司發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行了調(diào)整。由于疫情影響，世界航空業(yè)務(wù)需求急劇下滑，預(yù)計到2024～2025年其收益才能逐步恢復(fù)到500億元水平。因此，東麗公司從2020年6月暫停了在美國南卡州一條2000 t /a 小絲束PAN－CF生產(chǎn)線，預(yù)計2022年后再恢復(fù)運行。近年來全球氣候變化對環(huán)境的影響愈來愈大，各國都加大了對碳排放的控制力度，加速發(fā)展新能源，從而推動了大絲束PAN－CF 的大發(fā)展。東麗公司預(yù)測全球風(fēng)電市場約以年4% 增長，特別是海上大型風(fēng)電葉片需求量將快速增長，2020年其需求比2019年增長134% ，而2021年預(yù)計比2020年增長116% 。東麗公司下屬美國 Zoltex 公司，在匈牙利的工廠正逐步增設(shè)5 000 t /a 的大絲束CF產(chǎn)能，屆時其總產(chǎn)能將占世界60%的份額，2022年預(yù)計比2019年將增長13% 。同時，東麗公司正探討在墨西哥也擴大大絲束PAN－CF的產(chǎn) 能，因為其成本競爭力更高。Zoltek公司生產(chǎn)的CF非卷曲織物及其上漿制品，應(yīng)用于船舶、雙軸和三軸等(圖2) 。

圖2 ?Zoltek的CF系列產(chǎn)品此外，燃料電池電極用碳纖維紙及擴散層織物、氫能源高壓容器、X－射線攝影裝置用箱子 需求量的增長，也推動了大絲束PAN－CF的發(fā)展。2、帝人公司帝人公司在德國的子公司抓住新冠疫情的急 速蔓延對X光機及人工呼吸機等醫(yī)療設(shè)備需求擴大的機會，及時開拓該領(lǐng)域CF的需求。帝人碳素歐洲公司則抓住歐洲電子制造業(yè)近年來的需求增長，以及醫(yī)療設(shè)備復(fù)合電纜用的高 級CF增強塑料母粒的需求，將在德國的6mm短切CF “Tenax－EHT C604”的產(chǎn)能提高40% 。這種CFＲP母粒具有優(yōu)良的力學(xué)性能和導(dǎo)電性，深受歐洲用戶的青睞。帝人公司還生產(chǎn)Tenax非卷曲織物(DＲNF) 和Tenax編織纖維 (DＲBF) ，用于Tenax DryＲeinforcements ( DＲ) ，作為空客A320neo的機翼阻流板 (圖3) 。圖3 ?A320neo機翼阻流板?TenaxDＲNF和DＲBF通過高度自動化的樹脂轉(zhuǎn)移模塑 (ＲTM) 法，比通用熱壓罐法具有更高生產(chǎn)效率和組件集成化。Tenax DＲNF是根據(jù)最終部件的結(jié)構(gòu)需要，將CF長絲束進(jìn)行單向鋪平，并以不同角度和層數(shù)進(jìn)行層疊，從而比通用機織物具有更優(yōu)良的CF取向性，使其性能達(dá)到航空級熱固型單向預(yù)浸料的水平。Tenax DＲBF是作為中空填料應(yīng)用于阻流板部件中，這些材料都取得了空客公 司在該特定領(lǐng)域應(yīng)用的各自認(rèn)證。TenaxDＲNF和DＲBF的組合，達(dá)到了Spirit AeroSystems對飛機組件生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，如高效加工性、生產(chǎn)效率和成本經(jīng)濟(jì)性。目前帝人公司正全力加速開發(fā)飛機中游和下游的應(yīng)用，并配合開發(fā)更高強度和拉伸模量的中 間材料，其目標(biāo)是到2030年左右的年銷售額達(dá)到9億美元。此外，帝人在越南的子公司 “帝人碳 越南”的CF預(yù)浸料廠，已于2020年11月開始試運行，主要面向一般產(chǎn)業(yè)和體育休閑用品，如高爾夫球桿和網(wǎng)球拍，今后可能向風(fēng)電葉片拓展。3、三菱化學(xué)公司 (MCC)該公司通過其子公司瑞士三菱化學(xué)先進(jìn)材料公司，2020年8月取得了位于Wischhafen的兩家德國碳纖維回收公司CFK Valley StareＲecycling和carboNXT。CFK擁有收集CFＲP包括預(yù)浸料等廢料的網(wǎng)絡(luò)，同時擁有回收CF成為有用材料的先進(jìn)技術(shù)，并由 carboNXT 進(jìn)行銷售。早在2020年MCC還取得了徳國的預(yù)浸料公司c－m－p及瑞士的回收公司Minger，將為用戶提供采用該回收產(chǎn)品的解決方案。4、4M公司美國4M公司利用其等離子體預(yù)氧化專利技術(shù)，與PAN原絲合作方德國Dralon公司，共同生產(chǎn)大直徑工業(yè)級CF。兩家公司共同開發(fā)的低成本紡織級原絲，可生產(chǎn)出大直徑CF，預(yù)氧化時間只有52 min，今后將繼續(xù)改進(jìn)其性能，優(yōu)化該材料及生產(chǎn)工藝。但迄今大直徑 CF 還未規(guī)?；a(chǎn)，因為用常規(guī)預(yù)氧化工藝，其預(yù)氧化時間很長、能耗較大，而且容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷而影響性能。該新工藝可實現(xiàn)從原絲到CF全生產(chǎn)過程的低成本和更好產(chǎn)品性能，且提高了批量生產(chǎn)能力。5、Sigmatex?公司英國Sigmatex公司是一家在設(shè)計制造CF織物至復(fù)合材料方面居世界領(lǐng)先的企業(yè)，與位于倫敦的Hypetex 公司合作，在CF上色技術(shù)方處于領(lǐng)先地位。最近兩家合作，將為現(xiàn)有和新用戶提供美觀且有獨特色澤CF的解決方案。Hypetex 公司的獨特上色工藝加上 Sigmatex公司的織造花紋，將為顧客的全產(chǎn)業(yè)提供 CF 的附加視覺感受，并保留其主要質(zhì)量和性能指標(biāo)。

文章來源：中國復(fù)材

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