碳纤维复合材料现状及研发方向

碳纤维复合材料现状及研发方向

 
 
 

今后十年世界碳纤维及复合材料需求量将稳定高速增长。国外碳纤维及复合材料业已步入良性循环,而我国目前尚不具备国际竞争能力。我国当前及今后一个时期内最大的市场在体育用品方面。

拉动复合材料迅速发展的三个主要市场

法国JEC集团最近发布一份新的复合材料行业全球战略市场调研报告。此报告称,复合材料行业与各国的GDP相应增长。在更发达的国家,复合材料在材料市场中相对于竞争材料(钢、铝、工业聚合物等)的地位已经稳定,仅航空航天领域除外(在此领域中复合材料有望取代竞争材料)。在新兴国家中,复合材料市场主要取决于经济发展水平。总的说来,除航空应用外,全球复合材料行业与下游应用行业发展步调一致。

JEC预测全球经济衰退将于2010年或2011年终止,复合材料市场的年增长率为4%,从2008年的860万吨增长到20131000万吨。金砖四国(巴西、俄罗斯、印度和中国)的市场份额预计从现在的22%增长到2013年的29(中国占23%,印度和巴西各占3%,俄罗斯<1)

该报告分析,世界复合材料市场的增长主要由以下市场的迅速发展所推动。

亚洲市场特别是中国市场:主要得益于建筑业和汽车制造业的发展。

风能市场:由政府法规和公众意识共同推动。

航空市场:复合材料减轻重量的优点将推动新型商用飞机使用更多复合材料。

JEC预计,到2013年,作为原料的玻璃纤维和碳纤维价格有望降低(因为产能过剩),而树脂价格可能增高(因为石油价格可能反弹到2008年水平)

研发历程与特色

1996年世界碳纤维生产能力15000吨,实际产量约10000吨左右,其中日本约占60%。日本有三家大公司从事碳纤维的生产、研究和开发,东丽公司、东邦人造丝公司和三菱人造丝公司是世界著名的碳纤维生产企业,他们都在积极扩展碳纤维生产,继续加强其在世界市场上的主导地位,并纷纷实现从原丝到下游复合材料一体化的配套生产体制,碳纤维及其下游产品已成为这些公司的支柱产业和新的经济增长点。

随着航空航天飞行器各项性能的不断提高,对结构件用材料的性能要求也越来越高。今后日本先进复合材料的发展方向是:在增强材料方面,进一步提高碳纤维的强度和模量,降低成本,在树脂基体方面,主要提高树脂的冲击后压缩强度和耐湿热性;在复合材料成型技术方面,进一步实现整体成型技术、固化监控、自动化技术及三维复合材料技术,从而同时提高复合材料性能降低制造成本。

美国是碳纤维生产大国,更是消费大国。美国1996年碳纤维生产能力约为4500吨,其中卓尔泰克(ZOLTEK)公司1997年在美国德克萨斯州的亚平伦城和匈牙利的布达佩斯附近建了5条碳纤维生产线,1997年的总生产能力达3000吨左右,一跃成为世界上生产碳纤维的最大集团之一。

它的产品有许多特色,最主要是低成本、低价格、大丝束、采用纺织用的丙烯酸原丝和开发工业级碳纤维等。该公司生产的碳纤维价格已降至17.64美元/kg,而日本东丽同类产品大约30美元/kg。在应用方面,美国Morison公司为Dcna公司生产汽车传动轴,供通用汽车公司用;采用碳纤维复合材料可使原来由两件合并成一个传动轴简化成单件,与钢材料相比,可减重60%。美国Stoughton复合材料公司开发碳纤维复合材料集装箱,重量轻、耐磨,在碳纤维价格降至17.6美元/kg时,此集装箱的价格可与金属集装箱竞争。

目前,美国正在开发碳纤维复合材料的五大新市场,即清洁能源车辆、土木建筑工程、近海油田勘探和生产、风力发电机大型叶片、高尔夫球杆和球拍。这是推动美国和世界碳纤维复合材料大发展的动力。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的下降,在增强木材、机械和电器零部件、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用必将迅速扩大。

除日美之外,德国、英国和韩国也具有一定碳纤维复合材料生产能力。据预测,今后十年世界碳纤维及复合材料需求量将稳定高速增长。国外碳纤维及复合材料业已步入良性循环,而我国目前尚不具备国际竞争能力。我国当前及今后一个时期内最大的市场在体育用品方面。我国碳纤维及其复合材料业存在的几个问题为:原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、基础研究薄弱等。

新材料之王新的发展热点

碳纤维是由一种含碳量在95%以上的新型纤维材料,它是用一些含碳的有机纤维,如腈纶丝、沥青及粘胶纤维等做原料,跟塑料树脂结合在一起,放在惰性气体中,经碳化而成的新型纤维材料。由于碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点,可以称之为新材料之王,因此可以广泛应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、GOLF球棒等体育休闲领域。

据统计,2006年全球碳纤维产量总计为2.7万吨,折合金额为130亿美元。按消费情况地区划分,欧洲占30%,北美洲占35%,日本占15%,世界其它地区占20%。近年来,国际市场对碳纤维需求急剧上升,价格从几年前的5美元一磅上涨到现在的20美元一磅,提高了近4倍,驱动碳纤维市场增长的产业,包括民用航空航天工业、风力发电机叶片工业及天燃气汽车压缩气体储瓶等。为了适应碳纤维增长市场的需要,各碳纤维厂商都在实施扩产计划,但这需要时间。因而,碳纤维价格将会持续在高位运行。

2008年,小丝束(1K-24K)碳纤维产能将扩至4万吨,而大丝束(40K及以上)碳纤维产能到2010年也将达到1.8万吨,沥青基碳纤维产能增加到2480吨。这样将缓解目前供应紧张的局面,并开辟汽车、民用工程及永久性结构等新应用途径,刺激碳纤维二次增长。

随着生产技术的提升,其在下游市场的应用越来越广泛,成为近几年的热点产品。

 

摘自《亚太塑料橡胶》

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