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            我國碳纖維生産落後美日30年

            發布時間:2015-06-08 09:31:11

                                                              采用碳纖維編織成的輪毂。
                今年3月日本東麗公司宣布成功研制出T1100G型高強高模碳纖維,我國企業近年來也不斷傳出突破高性能碳纖維研制和生産的報道。那麽什麽是碳纖維,它有什麽用途,我國的水平又在什麽檔次上呢?


                碳纖維具有高強高模等性能優勢

                碳纖維是一種含碳量在90%以上的無機高分子纖維,其中含碳量超過99%的又稱石墨纖維。碳纖維具有相當獨特和出衆的物理和化學性能,它具有高強度、高模量、耐腐蝕、、耐磨擦、耐高溫、導電和導熱等多種優異的性能,堪稱材料工業的明珠。碳纖維與各種基體經過複合工藝後制成的碳纖維複合材料,早就在航空航天和軍事領域得到了廣泛應用,碳纖維複合材料也在民用領域得到了大量應用。簡單地說,碳纖維的密度僅有不到2噸/立方米,鋼材的數分之一,強度卻是鋼材的10倍以上,其性能優勢可想而知。


                碳纖維的關鍵力學指標包括拉伸強度、拉伸模量、斷裂伸長率等。拉伸強度是指材料在拉伸過程中可承受的最大應力;拉伸模量是指材料拉伸時受到的應力與形變的比值,模量值越高,表示碳纖維的剛度越好;伸長率是指斷裂前材料能被拉長的比例,伸長率越高,表示碳纖維的韌性越好。理論上碳纖維的拉伸強度可以達到180GPa,拉伸模量更是在1000GPa左右,雖然日本東麗公司已經研制出拉伸強度9GPa的高強碳纖維,拉伸模量也達到690GPa的高模碳纖維,但兩者尤其是拉伸強度還有很大的發展潛力。碳纖維的斷裂伸長率指標從早期的T300級別的1.5%增加到目前T1000級別的2.4%,有效緩解了碳纖維韌性不足的問題,進一步了擴展應用範圍,如用于制造大型客機機體。


                碳纖維的起源可以追溯到19世紀,英國人斯旺最早用碳絲制造電燈泡的燈絲,後來美國人愛迪生做出了實用的白熾燈碳燈絲,不過由于1910年庫裏奇發明了拉制鎢絲的方法,燈絲全面改用鎢絲,早期的碳纖維研究被打入冷宮。20世紀50年代以後,爲了解決導彈噴管和彈頭耐高溫和耐腐蝕等問題,美國研制出粘膠基碳纖維,碳纖維又一次登上曆史舞台。1959年日本人近藤昭男發明了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維,聚丙烯腈基碳纖維具有生産工藝成熟、綜合性能好和生産成本較低的優勢,産量占碳纖維全部産量的90%以上。今天我們說的碳纖維,不指明的話一般指PAN基碳纖維。


                按照碳纖維絲束中的單絲數量,聚丙烯腈基碳纖維又可分爲小絲束和大絲束兩種。相比小絲束,大絲束的劣勢在于,在制作板材等結構時,絲束不宜展開,導致單層厚度增加,不利于結構設計。此外,大絲束碳纖維粘連、斷絲等現象更多,這樣會使強度、剛度受影響,性能有所降低,性能的分散性也會較大。飛機、航天器一般只用小絲束碳纖維,因此小絲束碳纖維又被稱爲"宇航級"碳纖維,大絲束碳纖維被稱爲"工業級"碳纖維。


                但是大絲束生産成本比小絲束低,而隨著生産技術的進步,人們對碳纖維材料結構的熟悉,大絲束碳纖維越來越多用于對可靠性要求嚴苛的領域。這樣,小絲束與大絲束之間區分也發生了變化,如早期曾以絲束中單絲數量12000根(12K)作爲分界線,但目前單絲數量1K~24K的碳纖維被分爲小絲束,而48K以上的的劃爲大絲束。而空客公司在制造A380超大型客機時已經開始使用了24K碳纖維,估計隨著技術的進步,小絲束與大絲束之間的分界線還會向上推。

             
                除了傳統的圓截面碳纖維,異形截面碳纖維也日益得到人們的關注,它使用特殊幾何形狀的噴絲板孔擠壓出來,具有抱合力強、力學性能高等優點,尤其是通過改變碳纖維的截面形狀可以提高吸波性能,應用于結構性吸波材料,在軍工領域得到了應用,美國B-2等隱身飛機就使用了異形截面碳纖維作爲吸波材料。

             
                碳纖維材料具有諸多優點,但其生産工藝流程長,需要突破的技術障礙很多。碳纖維的制造,可以分爲原絲制造和碳化兩個關鍵過程。原絲制造,簡單地說是先通過丙烯腈聚合和紡紗等工藝,先聚合制成聚丙烯腈,再紡絲制出聚丙烯腈纖維原絲。聚丙烯腈原絲隨後進行預氧化、低溫和高溫碳化等步驟,最後進行表面處理、上漿烘幹並收絲就得到了碳纖維。相對碳化,生産出高質量的聚丙烯腈原絲更加關鍵,即使是東麗公司也曾因爲原絲質量在碳纖維研制過程中上摔過跟頭。要生産處高質量的碳纖維,要降低生産成本,聚丙烯腈原絲須滿足高純化、高強化、均質化、細纖度化和表面光潔等要求,這長期以來一直是碳纖維批量生産中最大的攔路虎。


                                       6微米直徑的碳纖維單絲,背後是人類頭發。

            美日在碳纖維行業居絕對領先地位


                1962年日本東麗公司開始研制PAN基碳纖維,但由于原絲質量不佳不得不停止研制,1967年後東麗公司重振旗鼓,研制適合制造碳纖維的共聚PAN級原絲,有突破了預氧化和碳化的工藝和設備。1971年東麗公司建成了年産12噸碳纖維的試驗生産線,1974年産能達到了156噸,東麗公司正式將該型碳纖維命名爲T300。1980年東麗公司的碳纖維才達到今天標准T300碳纖維的3530MPa的拉伸強度,或者說東麗公司從研制出T300碳纖維到改進完善用了大約10年時間之久。東麗公司此後又研制了T400、T700、T800、T1000、T1100、T1200等多個系列的高強度碳纖維,此外該公司還研制了M30、M35、M40、M46、M50、M55、M60和M70等多個系列的高模量(可以理解爲高剛度)碳纖維。T系列高強度碳纖維中T300系列的拉伸模量爲3530MPa,T700就達到了4900MPa,而T800進一步提高到5490MPa,至于T1000更是高達6370MPa。由這些數據可以看到,雖然産品編號中數字越高性能越好,但T300或是T800等編號中的300、800等數字並沒有與性能數據具體對應的含義。說到這裏,大家或許意識到日本東麗公司在碳纖維行業中的地位了,其公司産品編號被行業直接用作碳纖維的分級。


                東麗公司出産的各種碳纖維型號中,還有不同的字母後綴,如T300J、T400H、T700S和T700G等型號,其中J代表相比基本型號增強了拉伸強度,H表示相比基本型和J型號增強了拉伸強度和拉伸模量,S代表拉伸強度最高的型號,G代表在S型號基礎上進一步增強拉伸模量和粘合性能的型號。東麗公司已經研制出了T1200型碳纖維,反而又新研制出T1100G的碳纖維,這是因爲T1100G是T1100系列碳纖維中拉伸模量(剛度)最高的型號。或許會有人問,爲什麽不直接使用東麗公司M系列的高模量碳纖維,而是要持續提高T系列高強度碳纖維的模量呢?東麗公司在宣布研制成功T1100G碳纖維時就已經專門指出,高模量和高強度難以兩全。東麗公司的産品說明書中,M60JB的拉伸強度只有3820MPa,有些要求高強度但不要求那麽高模量的場合,就只能使用T700G、T1000G等增強了模量的高強度碳纖維了。


                日本和美國掌握著世界碳纖維的大多數産能,並控制了高端碳纖維的生産。日本東麗公司在PAN基碳纖維研制生産中最早起步,是日本碳纖維生産企業的代表。美國Hexcel公司也緊隨日本東麗的步伐,20世紀80年代美國研制的三叉戟II潛射導彈和侏儒小型機動洲際導彈都是用了Hexcel公司的IM7型碳纖維(大致相當于T800級別)。目前世界上小絲束碳纖維的主要生産商包括日本東麗、日本東邦人造絲、日本三菱人造絲三家公司,美國的Hexcel公司和Cytec公司雖然産量相差較大,但技術上仍可與日本三巨頭媲美。此外台灣台塑公司擁有數千噸的産能,並在2013年開始批量供應T800級碳纖維,土耳其阿克薩公司的低端T300碳纖維也在迅速擴張。大絲束碳纖維的主要生産商包括美國Zoltek、Aldila公司,日本東邦、日本東麗和德國SGL公司等。總的說來雖然美國Hexcel公司在小絲束生産、日本東麗公司在大絲束碳纖維生産上都有很強的實力,但美國在大絲束碳纖維生産上優勢明顯,日本在小絲束碳纖維的生産上壟斷地位更爲穩固。


                由于碳纖維優秀的力學性能,碳纖維複合材料在結構增強方面的應用非常廣泛,在對質量斤斤計較的航空航天領域,如飛機機體、導彈/火箭殼體、衛星承力筒等多個用途中,對比傳統金屬材料,碳纖維有很強的性能優勢。碳纖維複合材料用量較大而場合是民航客機,自美國波音公司的777客機大量使用碳纖維以來,波音777和787客機,空中客車公司的A380和A350XWB客機都大量使用碳纖維複合材料。美國波音公司的787客機主要使用日本東麗公司的24K絲束的T800碳纖維複合材料,同時也使用了部分美國Hexcel公司的碳纖維複合材料。歐洲空中客車公司的350XWB客機也使用了美國Hexcel公司的IM7碳纖維。Hexcel公司還將向中國商飛研制的大型客機提供碳纖維材料,不僅如此,中國商飛C919、波音737 MAX和空中客車A320 NEO等客機使用的新一代LEAP發動機的葉片也使用了Hexcel公司提供的碳纖維複合材料。各國軍用飛機上更是廣泛使用了各種碳纖維增強型複合材料,不過這些高性能碳纖維同樣基本由日本和美國公司研制生産和提供。

                 在航天領域,如衛星的太陽能電池陣列結構、衛星和航天器的本體尤其是承力結構等,碳纖維得到了廣泛應用。國際空間站巨大的桁架架構就使用了碳纖維/環氧樹脂複合材料。美國波音公司還正在爲下一代運載火箭研制革命性的碳纖維複合材料推進劑儲箱,目前已經研制出5.5米直徑的碳纖維儲箱。從實際産品數據看,碳纖維推進劑儲箱的質量可以比現有的鋁合金儲箱降低30%,從而顯著降低火箭各級的結構質量。碳纖維的導電性很好而且沒有磁性,可用于電磁屏蔽等多方面用途,使用它制造衛星的天線兼顧了質量和導電性,同樣擁有比金屬天線更好的性能,目前越來越多的衛星天線使用了高模量的碳纖維複合材料。


                碳纖維不僅在高端的航空航天市場大放異彩,在化工、發電、醫療、交通和建築等領域也獲得了廣泛應用,尤其是風力發電的葉片廣泛使用了碳纖維增強型複合材料,風力發電已經成爲碳纖維複合材料的重要市場之一。隨著各國節能減排要求的提高,汽車工業也越來越多的使用碳纖維,尤其是電動車爲了降低汽車整車質量,更是對碳纖維複合材料如饑似渴。目前歐美日各大汽車研制和生産廠商都在開發基于碳纖維複合材料的車型,可以預見未來汽車市場將成爲碳纖維複合材料的主要市場。碳纖維誕生以後,20世紀70年代就已經用于釣魚竿的生産,今天的體育産業更是碳纖維複合材料的主要用戶之一,目前世界上很大一部分碳纖維都使用在釣魚竿、網球拍、自行車等各種體育用品上。
            我國碳纖維生産落後美日30年


                                       新一代LEAP渦扇發動機的風扇葉片也用碳纖維制造。

                                           建造期間的國際空間站,其巨大的桁架也由碳纖維複合材料制造。
                我國碳纖維生産落後美日30年

             


                我國碳纖維的發展並不晚,東麗公司研制出碳纖維前後,我國就開始獨立研制碳纖維。不過遺憾的是,從20世紀70年代中期開始經過近40年發展,我國的碳纖維産業總體研制和生産水平還還很落後,無法與美日公司在市場上正面競爭。


                 最直觀的例子是,日本東麗和美國Hexcel公司在上世紀80年代就研制成功T800/IM7級別的高強度碳纖維,而我國剛完成T800級別碳纖維生産技術的突破,最終批量生産的質量和成本如何還有待觀察,可以說落後美日30年。我國目前只能較爲穩定的大批量生産相當于東麗公司T300級別的碳纖維,相當于T700級別的碳纖維,國內只有少數單位和企業能小規模生産,但日美碳纖維企業都開始准備批量生産T1000級別的碳纖維了。我國也沒有批量生産高模量碳纖維的能力,導致很多時候不得不冒巨大的風險走私東麗公司的MJ50、MJ60等高模量碳纖維。


                但即便是T300級別的碳纖維,由于生産技術上的落後,忽視高質量聚丙烯腈的生産,絕大部分國內廠家生産成本居高不下。目前國産T300級別碳纖維售價達到了進口東麗公司T700級別碳纖維的價格,能有什麽樣的市場表現也就可想而知了。近些年來,隨著政府在産業政策方面的支持,我國碳纖維行業呈現全面開花、大幹快上的局面,全國各地規劃的碳纖維産能甚至超過了我國之外全世界的碳纖維産能。但這只不過是虛假的繁榮,2012年我國碳纖維生産線設計産能超過了2萬噸,但實際産量只有2000噸左右,而且完全是生産越多虧損越多的局面,同時我國卻還在進口上萬噸的碳纖維産品滿足國民經濟的需求。我國目前號稱要建設的碳纖維生産線建成後,設計産能將達到約8萬噸,幾乎相當于2013年我國以外全世界的碳纖維産能。但成本居高不下的低端碳纖維生産線即使建成,又能發揮什麽作用呢?恐怕除了增加銀行的不良貸款,就是讓碳纖維生産線的開工率再下降一個甚至幾個台階。

                                                                我國企業的碳纖維生産線
                我國碳纖維行業還面臨著國際碳纖維行業巨頭的蓄意壓制。近些年來我國可以穩定批量生産一個級別的碳纖維後,東麗、東邦和Hexcel等企業的對華銷售價格就大幅下降一次,如2010年12K的T300級碳纖維還要24萬元每噸,2012年就下降到12萬元每噸,現在T700級碳纖維的價格也開始穩步下降。國際巨頭們的營銷策略雖然有利于我國碳纖維應用廠商的發展,但卻對我國碳纖維生産廠商造成了巨大的成本壓力。目前國內碳纖維生産企業面臨著一生産就虧損,生産越多虧損越多的極端不利局面,大部分企業只能減産甚至停産,這也是國內碳纖維産業設計産能高但實際産量低的根本原因之一。


                所以,我國碳纖維行業目前仍處于大浪淘沙的混沌階段,未來能獲得成功的或許只會是那些重視技術攻關、産品質量、專注于高性能産品的企業。因爲我國軍事現代化進程仍在加速,軍工、航天航空領域未來肯定需要大量T800以上級別的碳纖維,在高性能碳纖維方面我國遭受著國際禁運,國內廠家只要能提供高品質産品,即便成本價格貴一些,也能獲得軍工采購。此外,高性能産品還避開了美日碳纖維巨頭的傾銷打壓,開拓國內民用市場也更容易一些。


                碳纖維的生産固然重要,它的應用技術也是一個關鍵環節,我們前面介紹的只是碳纖維絲線,應用還需要對絲線進行結構成型。目前碳纖維成型工藝包括接觸成型、噴射成型、纏繞成型、拉擠成型、模壓成型以及編織成型等多種方式。日本三大碳纖維巨頭雖然産能占據了半壁江山還多,技術上也與美國平分秋色,但碳纖維材料成型以及應用上與美國相差很大,典型如日本H-IIA火箭使用的固體助推器,其碳纖維複合材料殼體的制造工藝就是美國ATK公司轉讓給日本IHI公司的。美國在軍工和民用領域數十年積累的豐富經驗,是日本遠遠不能比擬的。波音公司的787客機雖然大量使用了日本東麗公司的的碳纖維,但從碳纖維複合材料的樹脂材料到更後端的加工和設備,完全是美國公司壟斷。例如波音787客機中段機身的承包商是日本川崎公司,其生産完全在日本進行,但除了東麗的24K絲束T800碳纖維絲線,這個碳纖維機身的制造,從工藝技術到機器設備完全要從美國進口。
            我國碳纖維生産落後美日30年


                     正在纏繞碳纖維外殼的法國M51洲際導彈二級發動機,碳纖維的成型應用技術也很重要。

                                   美國全球鷹無人機機翼由碳纖維複合材料制成,這是其最大制造難點。

                綜上所述,美日企業掌握了世界碳纖維産業的大部分産能和技術,日本在碳纖維的産量上雖然超過了美國,但美國擁有從科研、制造到應用的最完整和最先進的碳纖維産業鏈。我國目前仍在努力研制高性能的碳纖維,但即使不考慮民用領域的發展,僅僅從滿足國防軍工和航空航天領域對高性能碳纖維複合材料的要求而言,也應重視熱壓罐、自動鋪帶機/鋪絲機等成型應用設備的發展。畢竟我國並非日本,不可能在偏科的情況下得到美國老大哥的熱心幫助。(文/張雪松)

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