小小的碳纤维,实际是国民经济和国防建设中不可或缺的战略性新型材料。一直以来,全球碳纤维市场由日美两国企业垄断。但随着中国企业的后发追赶、自强进击,这一格局正在发生变化。中国俨然正成为全球碳纤维“第三极”。
日前,全球最大碳纤维企业——日本东丽社长日觉昭广在接受日媒采访时表示,中国以国家层面推进采用材料信息学手法,其技术进步的确构成威胁,但积累了坚实基础数据的日本企业能够保持优势地位。
日本东丽公司社长日觉昭广
受益于政策推动和产业快速发展,中国碳纤维企业近年来如雨后春笋般出现,数量已占全球近七成,同时整体产能已位居全球第三。那么,在这场新的跑马圈地运动背后,中国的碳纤维技术及市场进步了多少?日本的优势又还能保持多久?
碳纤维的“纤细与广大”
在化工材料中,碳纤维可以称作是最重要的无机高性能纤维碳。它是含碳量大于95%的纤维材料,由聚丙烯腈、黏胶纤维、沥青纤维等有机纤维在高温下碳化制得,本质上来说是碳的同素异形体。
按照力学性能分类,碳纤维可分为标准模量(230GPa左右)、中模量(280-350GPa)和高模量(>350GPa)三类;按照纤维丝束大小分类,可分为小丝束(或标准丝束,≤24K)和大丝束(>24K)两大类;按不同的前驱体分类,聚丙烯腈基碳纤维占碳纤维总量的92%,沥青基碳纤维占7%,黏胶基碳纤维只占1%。
在特性方面,碳纤维具有耐腐蚀、抗氧化、高强度、耐高温、不生锈等优良性质。但碳纤维由于横向耐冲力差、耐磨性差,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,其中树脂型复合材料生产最多,使用最为广泛。
10微米直径的碳纤维单丝,背后是人类头发。
通常而言,碳纤维的直径在10微米左右,7-8根排列在一起才有一根头发丝那样粗。其拉伸强度可以达到4800兆帕,也就是钢的7至9倍,而比重仅有钢的四分之一。在几千度高温下,别的纤维已化为灰烬,它却毫无变化。
实际上,看似不起眼的碳纤维,在新材料界是一匹“黑马”,应用领域极为广泛,其首个市场化应用是1972年市售的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后,碳纤维应用快速向高端化的工业制造及尖端科技领域发展。其中,小丝束碳纤维主要应用于国防军工、航空航天、卫星导弹以及休闲体育用品领域,而大丝束碳纤维主要应用于工业及民用领域等。
目前,碳纤维在导弹、空间平台和运载火箭,航空器,先进舰船,轨道交通车辆,电动汽车,卡车,风电叶片,燃料电池,电力电缆,压力容器,铀浓缩超高速离心机,特种管筒,公共基础设施,医疗和工业设备,体育休闲产品,以及时尚生活用具等诸多领域,都有着实际和潜在的应用。
由此,虽然外表看似“软妹子”,碳纤维其实是外柔内刚的“真汉子”,在国防军工和民用方面等多方面都是重要材料或者战略物资。而由于其材料本性、产业技术复杂性、应用领域重要性和市场规模性等因素影响,碳纤维被称为“黑色黄金”或“材料之王”。
在具体商用方面,《2018全球碳纤维复合材料市场报告》统计的数据显示,2018年,全球碳纤维的销售金额为25.71亿美元,比2017年23.44亿美元增长了9.7%。其中,航空航天以12.6亿美元占比接近一半。第二至五位依次是体育休闲、风电叶片、汽车和混配模成型需求应用。来源:科工力量,文中图表来源于赛奥碳纤维
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来源:碳纤维生产技术