碳纖維研究進(jìn)展[特選材料]

碳纖維及其復(fù)合材料碳纖維及其復(fù)合材料主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀2 碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀3 下游產(chǎn)品的開發(fā)建議下游產(chǎn)品的開發(fā)建議4碳纖維及其復(fù)合材料簡(jiǎn)介碳纖維及其復(fù)合材料簡(jiǎn)介12一、碳纖維及其復(fù)合材料簡(jiǎn)介一、碳纖維及其復(fù)合材料簡(jiǎn)介 碳纖維特點(diǎn)：碳纖維特點(diǎn)：v高比強(qiáng)度、高比模量高比強(qiáng)度、高比模量v耐高溫，使用溫度耐高溫，使用溫度2000，在，在3000 非氧化氣氛中不融不軟非氧化氣氛中不融不軟v耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及強(qiáng)有機(jī)溶劑的浸蝕耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及強(qiáng)有機(jī)溶劑的浸蝕v熱膨脹系數(shù)小，約等于零熱膨脹系數(shù)小，約等于零v熱導(dǎo)率高，約為熱導(dǎo)率高，約為10140W/(m.K)v摩擦系數(shù)小，有自潤(rùn)滑作用摩擦系數(shù)小，有自潤(rùn)滑作用v導(dǎo)電性好導(dǎo)電性好v密度小密度小3 按原料分按原料分 v黏膠基碳纖維黏膠基碳纖維(Rayon基基CF)v聚丙烯腈基碳纖維聚丙烯腈基碳纖維(PAN基基CF)v瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維(Pitch 基基CF)4PANCF生產(chǎn)工藝過程生產(chǎn)工藝過程原絲原絲5PANCF生產(chǎn)工藝過程生產(chǎn)工藝過程碳絲碳絲6先進(jìn)復(fù)合材料（先進(jìn)復(fù)合材料（ACM）主要指有較高強(qiáng)度和模量的碳主要指有較高強(qiáng)度和模量的碳纖維、芳綸纖維等纖維與高性能的基體組成的復(fù)合材纖維、芳綸纖維等纖維與高性能的基體組成的復(fù)合材料。復(fù)合材料根據(jù)基體可分為料。復(fù)合材料根據(jù)基體可分為樹脂基、金屬基、陶瓷樹脂基、金屬基、陶瓷基基復(fù)合材料等。復(fù)合材料等。碳纖維復(fù)合材料具有碳纖維復(fù)合材料具有輕而強(qiáng)，剛而薄輕而強(qiáng)，剛而薄的特點(diǎn)。的特點(diǎn)。成型方法有：手糊法，纏繞法，拉擠法，注射法，真成型方法有：手糊法，纏繞法，拉擠法，注射法，真空帶囊熱壓法等?？諑覠釅悍ǖ取?二、國(guó)際碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀二、國(guó)際碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀日本是碳纖維的最大制造國(guó)，日本東麗公司、東邦公司、三菱公司生產(chǎn)的PAN基碳纖維占全球產(chǎn)量的70%左右。8發(fā)發(fā) 展展 歷歷 程程近近年年來(lái)來(lái)重重大大突突破破9發(fā)發(fā) 展展 歷歷 程程強(qiáng)度強(qiáng)度7.02GPa模量模量296GPa強(qiáng)度強(qiáng)度5.51GPa模量模量296GPa強(qiáng)度強(qiáng)度4.92GPa模量模量231GPaT1000T800HT700ST300強(qiáng)度強(qiáng)度3.54GPa模量模量231GPa10國(guó)際碳纖維需求量國(guó)際碳纖維需求量11 科技部科技部863碳纖維專項(xiàng)攻關(guān)碳纖維專項(xiàng)攻關(guān) 國(guó)家級(jí)碳纖維項(xiàng)國(guó)家級(jí)碳纖維項(xiàng)目目T-300T-300級(jí)碳纖維及原絲中試穩(wěn)定化研究級(jí)碳纖維及原絲中試穩(wěn)定化研究T-300T-300級(jí)碳纖維及原絲百噸級(jí)建設(shè)級(jí)碳纖維及原絲百噸級(jí)建設(shè)T-700T-700碳纖維及原絲關(guān)鍵技術(shù)的研究碳纖維及原絲關(guān)鍵技術(shù)的研究 973國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目計(jì)劃國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目計(jì)劃 高性能碳纖維用聚丙烯腈原絲的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制高性能碳纖維用聚丙烯腈原絲的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制12碳纖維出路何在？碳纖維出路何在？成本因素成本因素國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)國(guó)外國(guó)外市場(chǎng)沖擊市場(chǎng)沖擊1、發(fā)展高端產(chǎn)品，引領(lǐng)行業(yè)、發(fā)展高端產(chǎn)品，引領(lǐng)行業(yè)2、開發(fā)下游產(chǎn)品，搶占先機(jī)、開發(fā)下游產(chǎn)品，搶占先機(jī) 供求關(guān)系供求關(guān)系三、碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀三、碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀13航空航空航天航天導(dǎo)彈、雷達(dá)、戰(zhàn)斗機(jī)導(dǎo)彈、雷達(dá)、戰(zhàn)斗機(jī) 高端產(chǎn)品高端產(chǎn)品高端產(chǎn)品高端產(chǎn)品高高 端端 產(chǎn)產(chǎn) 品品141 新型建材新型建材2汽車工業(yè)汽車工業(yè)3 能源能源4 飛機(jī)飛機(jī)支柱產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用支柱產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用15新新 型型 建建 材材碳纖維作為新型建材，主要用于建筑補(bǔ)強(qiáng)。碳纖維作為新型建材，主要用于建筑補(bǔ)強(qiáng)。碳纖維碳纖維復(fù)合材復(fù)合材料料16 汽汽 車車 工工 業(yè)業(yè)碳纖維復(fù)合材料可做翼子板、車頂板、底盤、行李箱碳纖維復(fù)合材料可做翼子板、車頂板、底盤、行李箱板、門內(nèi)板、輪轂、引擎罩、避震彈簧、傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)板、門內(nèi)板、輪轂、引擎罩、避震彈簧、傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和耐熱件等加強(qiáng)和耐熱件等 17安裝在汽車上的碳纖維儲(chǔ)氣瓶安裝在汽車上的碳纖維儲(chǔ)氣瓶18能能 源源(一一)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片優(yōu)點(diǎn)如下：大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片優(yōu)點(diǎn)如下：1.1.比重小，抗疲勞，機(jī)械強(qiáng)度好，壽命長(zhǎng)。比重小，抗疲勞，機(jī)械強(qiáng)度好，壽命長(zhǎng)。2.2.成本低，僅為總機(jī)成本的成本低，僅為總機(jī)成本的1/31/3。3.3.耐腐蝕、紫外線照射和雷擊性能好。耐腐蝕、紫外線照射和雷擊性能好。4.4.容易維護(hù)，費(fèi)用低。容易維護(hù)，費(fèi)用低。(二二)燃料電池和太陽(yáng)能電池燃料電池和太陽(yáng)能電池 1.1.導(dǎo)電性好，熱膨脹系數(shù)小導(dǎo)電性好，熱膨脹系數(shù)小 2.2.高比強(qiáng)度，高比模量，耐熱高比強(qiáng)度，高比模量，耐熱19飛飛 機(jī)機(jī)v二次結(jié)構(gòu)件二次結(jié)構(gòu)件 輔翼輔翼 方向舵方向舵 升降舵升降舵v一次結(jié)構(gòu)件一次結(jié)構(gòu)件 主翼主翼 尾翼尾翼 機(jī)體機(jī)體2003年年2005年年2010年年2109801650民用客機(jī)CF需要量（單位噸/年）20飛飛 機(jī)機(jī)21碳纖維在體育器材方面的應(yīng)用碳纖維在體育器材方面的應(yīng)用22類類 別別應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域成熟市場(chǎng)成熟市場(chǎng)航空、航天及國(guó)防領(lǐng)域：飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)航空、航天及國(guó)防領(lǐng)域：飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭、導(dǎo) 彈、雷達(dá)等；彈、雷達(dá)等；體育休閑品：高爾夫球、漁具、網(wǎng)球拍、羽毛球拍體育休閑品：高爾夫球、漁具、網(wǎng)球拍、羽毛球拍 箭桿、自行車、賽艇等。箭桿、自行車、賽艇等。新興市場(chǎng)新興市場(chǎng)碳纖維基增強(qiáng)工程塑料、碳纖維基增強(qiáng)工程塑料、壓力容器壓力容器、建筑補(bǔ)強(qiáng)建筑補(bǔ)強(qiáng)、風(fēng)風(fēng)力發(fā)電葉片力發(fā)電葉片、摩擦材料、深海油田的鉆井平臺(tái)等摩擦材料、深海油田的鉆井平臺(tái)等待開發(fā)市場(chǎng)待開發(fā)市場(chǎng)汽車零部件汽車零部件、飛機(jī)承力部件飛機(jī)承力部件、醫(yī)療器械等四、下游產(chǎn)品的開發(fā)建議四、下游產(chǎn)品的開發(fā)建議原絲的售價(jià)是原絲的售價(jià)是4040元元5050元元/公斤，碳纖維為公斤，碳纖維為200200元元/公斤，公斤，預(yù)浸料為預(yù)浸料為500500元元/公斤，每一級(jí)的深加工都有高幅度的增值。公斤，每一級(jí)的深加工都有高幅度的增值。231.CF天然氣鋼瓶經(jīng)濟(jì)效益天然氣鋼瓶經(jīng)濟(jì)效益按各省均建一個(gè)按各省均建一個(gè)5萬(wàn)只萬(wàn)只/年規(guī)模的年規(guī)模的CNG儲(chǔ)氣瓶廠計(jì)算儲(chǔ)氣瓶廠計(jì)算vCF用量用量 2萬(wàn)噸萬(wàn)噸/年年 70億元億元/年年v儲(chǔ)氣瓶?jī)?chǔ)氣瓶 140億元億元/年年 CNG容器材料比較容器材料比較材料材料容積容積/L/L質(zhì)量質(zhì)量/Kg/Kg價(jià)格價(jià)格/美元美元鋼鋼7676117117400400鋁襯里鋁襯里/GFRP74747070800800塑料襯里塑料襯里/GFRP70705050400400塑料襯里塑料襯里/CFRP70702020600600作為作為CNG儲(chǔ)氣瓶，壓力高達(dá)儲(chǔ)氣瓶，壓力高達(dá)20MPa，使用壽命達(dá)，使用壽命達(dá)15年。年。1.1.壓壓 力力 容容 器器24v汽車用壓縮天然氣瓶（汽車用壓縮天然氣瓶（CNGCNG）環(huán)保天然氣替代柴油可以消除汽車尾氣中的環(huán)保天然氣替代柴油可以消除汽車尾氣中的NONOX X、SOSOX X等致癌物質(zhì)，少排等致癌物質(zhì)，少排放放26%26%的的COCO2 2。減重比鋼瓶輕。減重比鋼瓶輕4 4倍以上。倍以上。v另外，消防、潛水用的便攜式另外，消防、潛水用的便攜式空氣罐空氣罐及化工行業(yè)的及化工行業(yè)的槽罐車槽罐車也使用碳纖也使用碳纖維復(fù)合材料。維復(fù)合材料。1.1.壓壓 力力 容容 器器252.CF 風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)效益風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)效益v到到“十一五十一五”期末，全國(guó)風(fēng)能實(shí)際總裝機(jī)容量將達(dá)到期末，全國(guó)風(fēng)能實(shí)際總裝機(jī)容量將達(dá)到10-12GW，到，到 2020年全國(guó)將達(dá)到年全國(guó)將達(dá)到20GW的風(fēng)電裝機(jī)容量。因此，中國(guó)是風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)電裝機(jī)容量。因此，中國(guó)是風(fēng)力發(fā)電碳纖維復(fù)合材料葉片的巨大市場(chǎng)。碳纖維復(fù)合材料葉片的巨大市場(chǎng)。v2005年年2月制定的月制定的可再生能源法可再生能源法做出了做出了 2010年風(fēng)能不少于年風(fēng)能不少于400萬(wàn)萬(wàn)千瓦的規(guī)劃，千瓦的規(guī)劃，預(yù)計(jì)到預(yù)計(jì)到2010年末，葉片國(guó)內(nèi)市場(chǎng)總量可達(dá)約年末，葉片國(guó)內(nèi)市場(chǎng)總量可達(dá)約60億億元人民幣。元人民幣。2.2.風(fēng)風(fēng) 力力 發(fā)發(fā) 電電26v葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件，造價(jià)約占整個(gè)設(shè)備的葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件，造價(jià)約占整個(gè)設(shè)備的1/41/4到到1/31/3。每個(gè)葉片大約需要碳纖維。每個(gè)葉片大約需要碳纖維1.5-2.01.5-2.0噸噸，我國(guó)，我國(guó)20202020年年30003000萬(wàn)千瓦萬(wàn)千瓦的風(fēng)電規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)，需要大量的風(fēng)機(jī)葉片，是碳纖維行業(yè)一個(gè)的風(fēng)電規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)，需要大量的風(fēng)機(jī)葉片，是碳纖維行業(yè)一個(gè)潛在的巨大市場(chǎng)。潛在的巨大市場(chǎng)。v按西北按西北5 5省每年各產(chǎn)省每年各產(chǎn)1010臺(tái)計(jì)臺(tái)計(jì) CF CF用量用量 68006800噸噸/年年 23.823.8億元億元/年年 風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 100100億元億元/年年2.2.風(fēng)風(fēng) 力力 發(fā)發(fā) 電電273.新型汽車新型汽車(1)電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車 電動(dòng)汽車要延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，減少充電次數(shù)，必須讓汽車輕量電動(dòng)汽車要延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，減少充電次數(shù)，必須讓汽車輕量 化。碳纖維復(fù)材高強(qiáng)、質(zhì)輕等特點(diǎn)，完全能滿足要求。建議與電動(dòng)汽化。碳纖維復(fù)材高強(qiáng)、質(zhì)輕等特點(diǎn)，完全能滿足要求。建議與電動(dòng)汽 車廠商合作開發(fā)。車廠商合作開發(fā)。(2)高級(jí)跑車高級(jí)跑車 部分高級(jí)跑車、高級(jí)轎車和特種車輛對(duì)速度和安全的追求，碳纖維復(fù)部分高級(jí)跑車、高級(jí)轎車和特種車輛對(duì)速度和安全的追求，碳纖維復(fù) 材的用量將達(dá)到車身材的用量將達(dá)到車身50%以上以上，市場(chǎng)潛力巨大。，市場(chǎng)潛力巨大。3.3.汽汽 車車 工工 業(yè)業(yè)28(3)近年來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅速，從近年來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅速，從20002000年到年到20102010年全國(guó)汽年全國(guó)汽 車保有量將增加車保有量將增加1 1倍。碳纖維復(fù)合材料作為一種先進(jìn)的輕質(zhì)高倍。碳纖維復(fù)合材料作為一種先進(jìn)的輕質(zhì)高 強(qiáng)材料，正好迎合了未來(lái)汽車輕量化發(fā)展方向的要求。強(qiáng)材料，正好迎合了未來(lái)汽車輕量化發(fā)展方向的要求。中國(guó)汽車的需求和預(yù)測(cè)中國(guó)汽車的需求和預(yù)測(cè) 單位：萬(wàn)輛單位：萬(wàn)輛年份年份汽車產(chǎn)量汽車產(chǎn)量客、貨車產(chǎn)量客、貨車產(chǎn)量汽車保有量汽車保有量19905146.7551199514611411452000208.8148.31608.92001233.44163.09167120053202102400201045023033003.3.汽汽 車車 工工 業(yè)業(yè)29 4.4.飛飛 機(jī)機(jī)vA380客機(jī)使用復(fù)合材料達(dá)客機(jī)使用復(fù)合材料達(dá)25-30t/架，其中架，其中85%是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)，A350飛機(jī)中占總質(zhì)量飛機(jī)中占總質(zhì)量52%的結(jié)構(gòu)組件采用復(fù)合材料來(lái)制造，主的結(jié)構(gòu)組件采用復(fù)合材料來(lái)制造，主要是碳纖維增強(qiáng)塑料材料。要是碳纖維增強(qiáng)塑料材料。v2005年底波音和空客交付飛機(jī)年底波音和空客交付飛機(jī)620架，復(fù)合材料用量約架，復(fù)合材料用量約1700 t，CFRP約約1020 t。據(jù)悉，波音公司近十年將有。據(jù)悉，波音公司近十年將有10000架次的市場(chǎng)，未來(lái)架次的市場(chǎng)，未來(lái)20年全球?qū)⒛耆驅(qū)⑿枰枰?5000架大型飛機(jī)，總價(jià)值約架大型飛機(jī)，總價(jià)值約2萬(wàn)億美元。萬(wàn)億美元。v目前我國(guó)高端碳纖維目前我國(guó)高端碳纖維(T800)和碳纖維復(fù)合材料部件一體化成型技術(shù)相對(duì)落和碳纖維復(fù)合材料部件一體化成型技術(shù)相對(duì)落后，難以制造大尺寸部件。因此，這些材料只用在我國(guó)飛機(jī)非承力和次承后，難以制造大尺寸部件。因此，這些材料只用在我國(guó)飛機(jī)非承力和次承力部位，在飛機(jī)的主要承力部位應(yīng)用甚少力部位，在飛機(jī)的主要承力部位應(yīng)用甚少。30復(fù)合材料在空客A380飛機(jī)上的應(yīng)用31復(fù)合材料在空客A350飛機(jī)上的應(yīng)用32