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日本全球第一?碳纖維及其復合材料國內外產業及科研發展分析!

更新于:2019-12-16   來源:中國新材料技術發展藍皮書   點擊:74次

碳纖維

碳纖維是含碳量高于95%的無機高分子纖維,具有低密度、高強度、耐高溫、高化學穩定性、抗疲勞、耐磨擦等優異的物理及化學性能,良好的導電導熱、電磁屏蔽性能以及較低的熱膨脹系數等。以碳纖維作為增強材料的先進復合材料具有高比強度、高比模量、可設計性強、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞和熱膨脹系數小等一系列的優異性能。碳纖維及其復合材料優異的性能使其被廣泛應用于航空航天、軌道交通、車輛制造、武器裝備、工程機械、基礎設施建設、海洋工程、石油工程、風力能源、體育用品等領域。

目前全球最大的碳纖維及復合材料供應商主要集中在日本,日本碳纖維產業水平居全球第一,主要領頭企業為日本東麗公司、帝人公司和三菱化學。2018年3 月28日,日本東麗公司宣布推出新碳纖維復合材料成型工藝——CFRP (CarbonFiber Reinforced Plastics)新型真空壓力成型工藝,該技術在提高部件尺寸精度的同時,還能降低生產過程中的能耗。2018年11月1 日,日本東麗公司宣布開發出新型的TORAYCAMX 系列碳纖維,同時具有高拉伸強度和拉伸模量。美國是繼日本之后掌握碳纖維生產技術的少數幾個發達國家之一,是碳纖維及復合材料的應用大國。

目前我國高性能碳纖維材料產業發展勢頭迅猛,針對市場主要為航空航天領域,同時著力瞄準新能源市場,包括風力發電、壓力容器(儲氫罐),以及潛在的新型汽車輕量化材料市場。但我國的碳纖維材料產品大多仍處在試運行、少量裝機等階段,與下游產業的合作仍需加強。應用端開發不充分也導致了大量碳纖維生產企業產能虛高,企業運營壓力較大。2018年,我國各大碳纖維企業陸續在碳纖維及復合材料相關技術和產能方面取得突破。2018年9月,中國新一代全碳纖維復合材料地鐵車體全球發布,采用碳纖維增強復合材料技術,與鋼、鋁合金等傳統金屬材料相比,新一代碳纖維地鐵車輛的車體、司機室、設備艙分別減重 30%以上,轉向架構架減重40%,整車減重13%;2018年8月17日,吉林化纖自主研發的48K大絲束碳纖維原絲順利通過碳化并持續批量生產。碳化效果遠超預期,各項指標均超過了日本東麗T300水平,是繼24K碳纖維成功市場化后的又一碳纖維新產品。

碳纖維領域研發成果不斷涌現,大部分突破性成果來自日本和美國。最新前沿技術不僅聚焦于碳纖維生產制備技術,也投射于汽車材料輕量化、3D打印、發電材料等更廣泛領域的應用。另外,碳纖維材料的回收循環利用、木質素基碳纖維制備等方面也取得一系列成果。日本非常重視碳纖維技術的發展,企業、政府、高校積極合作推進碳纖維技術研發。2013年,日本在“未來開拓研究計劃”框架之下,推進“革新性新結構材料等技術開發”;日本早稻田大學的細井厚志副教授等人研發出碳纖維塑料(CFRP)與鋁輕質材料連接的新技術。在鋁表面制造針狀微小突起,加熱溶解后的 CFRP 容易進入微小的突起間隔。它有助于減輕汽車和電子設備的重量,預計3年后實現商業化。美國也持續開啟了多次碳纖維研究項目。國防預研局(DARPA)在 2006 年啟動先進結構纖維項目;2019年1 月,美國佐治亞理工學院的 Satich Kumar 團隊采用聚丙烯腈(PAN)纖維為原料,成功制備了質量分數超過 40%的納米微晶纖維素(CNC)碳纖維。PAN/CNC基碳纖維的拉伸強度在 1.8GPa~2.3GPa 范圍內,拉伸模量在 220GPa~265GPa 范圍內。

通過國家973項目的支持,我國目前在科學與技術基礎領域已經取得了相應的突破,就關鍵技術而言,主要包括低缺陷均質原絲的制備技術、預氧化環結構調控技術、碳化過程微晶生長控制技術、各單元匹配協同技術,以及裝備制造技術、產業化集成技術等。2019年1月22 日,中國科學院山西煤炭化學研究所研究員張壽春團隊圍繞T1000級超高強碳纖維制備,承擔了中國科學院重點部署項目,已通過中科院組織的專家驗收。

國際高性能纖維及復合材料市場正在迎來空前的發展期,我國已在關鍵技術、裝備、產業化生產以及下游應用領域取得了重大進展,未來我國會繼續通過高性能纖維及復合材料等關鍵材料和技術的自主研發、產業上的聯動突破,逐步實現從根本上擺脫高性能纖維受到的限制,實現進口替代,形成產業優勢。

針對我國高性能纖維及復合材料的產業現狀,國家新材料產業發展戰略咨詢委員會天津研究院提出具體建議,建議內容詳見《中國新材料技術發展藍皮書》原文。


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