『聚焦』研究单位、生产及应用单位会诊碳纤维发展之路

摘要

第二届国际碳材料大会在北京九华国际会展中心举行，聚焦碳纤维及其复合材料发展。会议讨论了碳纤维在航空航天领域的应用方向和市场趋势，以及国产碳纤维面临的挑战和发展方向。航空复合材料技术也面临雷电防护和提高韧性等挑战。同时，干喷湿纺技术和再生碳纤维在高性能碳纤维生产和轻量化领域具有优势。碳纤维复合材料是高铁轻量化的良好选择，预计在国内外将得到广泛应用。

正文

2017年12月18-19日，第二届国际碳材料大会暨产业展览会在北京九华国际会展中心盛大召开。下面碳纤维生产技术小编就为您整理碳纤维及其复合材料板块的精彩内容。

在美国军方的推动下，碳纤维从诞生之初，首先在航空航天领域得到应用，并逐渐应用到承重件。粗径化是第三代先进复合材料用碳纤维的发展方向，下一代功能碳纤维的发展方向仍未明确。

目前全球市场大致处于复苏阶段，欧美日市场处于爆发期，而中国市场还在发展期。第二代先进复合材料在使用中暴露出一些问题，主要是材料的压拉比较低（约为0.5-0.6），不足以满足火箭发射时对材料性能的要求。从应用目标来看，即将诞生的第三代先进复合材料要求高强、高模、高韧，其中压缩模量要提高40%，拉伸模量提高20%，压拉比不低于1。

碳纤维在过去的40年曾致力于细旦化发展，虽然细旦化可提高截面的均匀性，控制缺陷，大幅度提高拉伸强度，但不能同步提高材料的压缩性能，导致拉压失配，压拉比从0.9降至0.5。增大纤维直径，提高树脂模量可以有效提升碳纤维复合材料的压缩性能，然而纤维直径的增大将面临生产过程中的控制难题。

2010年以来，国内外代表厂商通过改进工艺，研制出不同直径的碳纤维，将压拉比提升至0.7左右。2017年，东丽逆势推出Z600型小丝束碳纤维，与预期相悖，使得大丝束碳纤维当前市场价值有待重新评估。2017年全球碳纤维产能没有明显增加，技术进入成熟期，并保持增长态势，预计销售量约为8万吨。

近年来，以风电、汽车、压力容器为代表的工业应用已经成为碳纤维应用的主要驱动力。低成本已经成为未来发展的一个重要趋势，需要从基础出发，重新审视现有的流程和装备设计，大力发展强化传热传质工艺流程及装备技术，大幅提升生产效率，降低能耗。关于应用方面，要大力发展面向行业流程的应用技术，形成以价值为导向的市场行为。

——李仲平，中国工程院院士，中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所所长

由于树脂的绝缘性，以碳纤维为代表的航空用复合材料最初几乎是不导电的，飞机在飞行中一旦被闪电击中，将机毁人亡。基于安全考虑，航空用复合材料在雷雨等恶劣天气下，需要能及时导出高压电流，保证飞行的安全性。

同时由于航空飞行条件复杂，在提高力学强度的前提下，还需要提高材料的韧性，需要赋予树脂材料以一定的相结构。欧盟国家曾给出既定的标准，但经过多年努力，仍未达标。

益小苏教授团队受到自然界植物生长的启发，通过特殊的工艺，开发出同类型的产品，主要性能参数是欧盟既定标准的六倍以上。在电流50kA，电压30kV的测试条件下，材料表面没有被明显破坏。

——益小苏，航空工业制造院科技委副主任

国产碳纤维高性能化和低成本化是我国碳纤维产业和应用发展的当务之急。当前，虽然国产碳纤维取得一定的突破，但依然存在诸多问题，如高端牌号产品缺乏，严重制约尖端型号发展；民用碳纤维成本居高不下，阻碍了应用领域的拓展；关键工艺技术没有突破，尚未建立完整的技术体系；放大效应没有解决，产业化没有形成规模化效应。

从性能方面来讲，未来碳纤维会朝着高强、高模、高韧这三个方向发展。我国高性能碳纤维的突破必须开发新技术、新工艺，建立我国自主碳纤维技术体系、实现由仿制到自制是增强我国碳纤维创新能力的有效途径。

国产碳纤维低成本化必须重新认识估计我国现有碳纤维产业技术，从生产流程布局的合理性、单元工艺技术的先进性、节能装备的国产化、规模化技术等方面寻求突破。

——吕春祥，中科院山西煤炭化学研究所副所长、研究员

航空级碳纤维需要满足高性能前提下的低成本，而工业级的碳纤维则需要满足低成本前提下的高性能。在航空领域，全世界的年用量约2~2.5万吨，国内5-10年后预计需求2000-3000T，属于紧缺物质，碳纤维在这一领域有较高的利润，若供应预浸料，利润远高于纤维。

工业级碳纤维通常是用于传统的低端市场，主要是价格的竞争，在性能上没有严格的性能要求，若单纯打价格战，将无利可图。国内军用航空航天市场，预计到2025年需求不会超过500T。而国内民机市场，5~10年后会批量生产和有国产化要求，碳纤维需求量可达到1000~2500T以上，CR929复合材料结构重量占比超过50%（28.7T），复合材料部件生产将立足国内，类似于汽车国产化进程，引入国外先进技术。兵器装备所用碳纤维以T700S为代表，每年的需求总量大约1000~2000T。

碳纤维复合材料在交通运输行业结构中的应用有着广阔的前景，未来20年的用量有望达到上万吨，制造成本是制约其扩大应用的命脉。

对航空航天结构等高端应用，碳纤维开发方向是在保证模量与强度协调的前提下追求高模量，对工业领域应用，碳纤维开发方向是保持高模量优点的前提下尽可能降低生产成本，如干喷湿纺、大丝束和木质素碳纤维的开发。对整个行业而言，全产业链布局是发展的必然趋势。

——沈真，江苏恒神股份有限公司技术顾问

报告中介绍了中复神鹰碳纤维的基本概况，针对公司主要的干喷湿纺纺丝技术优势与湿法方法进行了比较。

干喷湿纺技术具有以下优势：可纺高粘度纺丝原液；成型速度快，对应成本低；纤维结构均匀且强度高、截面圆形、表面光滑、少缺陷。就目前高性能碳纤维应用的热门领域进行了深入的分析，尤其是航空航天、汽车、风力发电、碳芯电缆、压力容器等典型代表领域。

结合国内外碳纤维应用的专利申请与分布情况，探讨了碳纤维应用发展趋势。根据GMI咨询公司分析，受益于商用客机外部结构件对复合材料需求的不断增长，碳纤维将在2024年以超过35亿美元的收入，占据行业中的最高份额。此外，热固性树脂仍将占据市场主导，热塑性树脂将以9%的年增长率快速增加。

——陈秋飞，中复神鹰碳纤维有限责任公司副总经理

报告中首先介绍北京汽车轻量化工作情况。汽车轻量化具有重要意义：如显著降低油耗，降低排放就，减少制动距离，提升整车控制性能，提升整车结构耐久性，提升轮胎寿命，提升电池的续航能力等。

未来将提倡节能汽车：推进小型轻量化；2030年销量占比50%；致力电池技术：实用化、量产化；致力于开发轻量化材料，减少整车重量。实现汽车轻量化需要从设计、材料、制造、评价等多个方面共同努力，但轻量化材料是最直接、有效的实现方式，其中碳纤维复合材料就是典型的代表。

目前碳纤维复合材料已经用于发动机罩，车顶，横梁，传动轴，轮毂等地方，包含了承重件和内外饰。报告中列举了宝马、北汽等典型的应用案例。最后讨论碳材料在汽车领域的应用展望，碳纤维复合材料零部件在汽车上的应用将会爆发式增长，需要业界的共同努力。

——王旭，北京汽车研究总院副院长

虽然从各种废弃物中回收碳纤维的实用方法已经存在一段时间，但缺乏适合大批量生产的产品，从而限制了这些材料的应用。在过去的4年中，ELG碳纤维公司已经解决了这些挑战，开发了适用于注射成型和热固性/热塑性复合材料的应用。

回收的碳纤维比普通的碳纤维便宜约40%，2016年全球复合材料废弃物中可回收得到约24000吨的碳纤维，其中有超过60%是热固性复合材料废弃物，是回收碳纤维的主要来源。这些材料主要应用于电子和运输业。

本文介绍了这些材料的发展，必须克服的挑战，和传统碳纤维材料的性能对比。最后，通过一些案例研究说明这些材料的具体应用。

——Frazer Barnes，ELG碳纤维公司董事、总经理（代表出席）

中国高铁产业规模快速发展，市场需求初见端倪，对新材料应用需求不断提高。随着高铁设计速度逐步提高，对设计及材料提出了更高的要求。

碳纤维等纤维增强复合材料结构以其优异的性能成为解决高铁轻量化问题的绝佳选择。日本在CFRP车体研制方面进行了多年循序渐进的探索，成绩显著。

韩国在CFRP应用方面业绩突出，KTX-Ⅱ列车内装大量采用CFRP，较铝合金车体减重达40%。欧洲复合材料技术基础雄厚，轨道车辆上CFRP应用广泛，从非承载内饰件到头罩吸能元件、过渡车钩、受电弓等零部件，到司机室、车体、转向架等大型部件均有不同程度的尝试。

国内外轨道交通的碳纤维复合材料应用基本上都从非承载结构向次承载结构、再向主承载结构渐进发展，目前均处于探索阶段。探索高铁领域CFRP材料、结构及部件设计、成型工艺及试验验证方法，积累经验，掌握设计、仿真、制造及运用技术，形成完整的标准体系，实现工程化，搭建产业链，重点打造车型如高速磁悬浮2020、高速动车组车体2022、复兴号设备舱2016等。

下一代地铁将尝试多种材料体系及设计结构与工艺，完成主结构向CFRP迁移的技术准备，如司机室、车体、转向架构架、设备舱、碳陶制动盘等。

——丁叁叁，中车青岛四方机车车辆股份有限公司副总工程师

来源：DT新材料一DT高分子在线