中國碳纖維產(chǎn)業(yè)調(diào)研報告
一、碳纖維介紹
1、國外碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況
目前世界各國發(fā)展的主要是PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維。世界PAN 基碳纖維生產(chǎn)廠商主要有日本Toray(東麗)、Toho(東邦)、Mitsubishi Rayon(三菱人造絲)，美國Hexcel(赫克塞爾)、Amoco(阿莫科)和Zoltek(卓爾泰克)等公司。瀝青基碳纖維主要生產(chǎn)廠商有日本Mitsubishi Chem(三菱化學(xué))、Kureha (吳羽)、Donac與美國Amoco 公司。PAN基碳纖維是當(dāng)今世界碳纖維發(fā)展的主流，占世界碳纖維市場的90%以上。
國際上PAN基碳纖維的生產(chǎn)，從20世紀(jì)60年代起步，經(jīng)過70～80年代的穩(wěn)定，90年代的飛速發(fā)展，到21世紀(jì)初其生產(chǎn)工藝技術(shù)已經(jīng)成熟。起初，碳纖維主要用于軍工和宇航，經(jīng)過40余年的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域正在向工業(yè)領(lǐng)域和普通民用領(lǐng)域擴大?，F(xiàn)已發(fā)展成為大絲束碳纖維和小絲束碳纖維兩大種類。大絲束碳纖維對前驅(qū)體要求較低，產(chǎn)品成本低，較適合于一般民用產(chǎn)品T-700及以下系列產(chǎn)品開發(fā)。小絲束碳纖維追求高性能，代表著國際碳纖維發(fā)展的先進水平。對于高性能PAN基碳纖維，美、日等發(fā)達國家均極為重視，在研發(fā)、生產(chǎn)方面給予經(jīng)費、人力上的大力支持，并獲得成功。特別是在日本，碳纖維工業(yè)已成為該國十大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。日本東麗、東邦及三菱人造絲三家公司是PAN基碳纖維(小絲束)的著名生產(chǎn)廠家。這三家公司依靠其多年來對紡絲工藝理論的精通和紡絲新技術(shù)的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和開發(fā)研究方面的豐碩成果，大量生產(chǎn)出高性能碳纖維，使日本迅速成為世界碳纖維強國，無論質(zhì)量還是數(shù)量上均處于世界領(lǐng)先地位。東麗公司更是世界上高性能碳纖維研究、生產(chǎn)的“領(lǐng)頭羊”。美國是繼日本之后掌握碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的少數(shù)幾個發(fā)達國家之一，其碳纖維主要廠商為Hexcel、Amoco公司，它們與日本東麗、東邦及三菱人造絲公司為當(dāng)今世界碳纖維的5大生產(chǎn)商。 內(nèi)容來自鏈招顧問
2、碳纖維的物理性能
由于碳纖維具有出色的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強度和最高的比模量的纖維，特別是在2000℃以上的高溫惰性環(huán)境中，碳材料是唯一強度不下降的物質(zhì)，是其它主要結(jié)構(gòu)材料(金屬及其合金)所無法比擬的。此外，碳纖維還兼有其它多種優(yōu)良性能，如低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、震動衰減性高、電及熱導(dǎo)性高、熱膨脹系數(shù)低、X光穿透性高，非磁體但有電磁屏蔽性等。
3、碳纖維技術(shù)進展及發(fā)展趨勢
3.1 技術(shù)進展
PAN基碳纖維向兩個方面發(fā)展：一是提高，二是普及。提高是指小絲束碳纖維(1～24K)的質(zhì)量提高，普及是指大絲束碳纖維(48~540K)的產(chǎn)量大幅度增加，價格日趨下降。
隨著航空航天飛行器各項性能的不斷提高，對結(jié)構(gòu)件用材料的性能要求也越來越高。國外碳纖維主要生產(chǎn)商都在積極地開發(fā)超高強度、超高模量的碳纖維。日本東麗公司已開發(fā)出高強型T1000系列碳纖維，其抗拉模量為295 GPa，拉伸強度達7.05 GPa，而高強高模MSJ型抗拉模量達640 GPa，抗拉強度為3.62 GPa。
今后日本先進復(fù)合材料的發(fā)展方向是：在增強材料方面，進一步提高碳纖維的強度和模量，降低成本；在樹脂基體方面，主要提高樹脂的沖擊后壓縮強度和耐濕熱性；在復(fù)合材料成型技術(shù)方面，進一步實現(xiàn)整體成型技術(shù)，固化監(jiān)控、自動化技術(shù)及三維復(fù)合材料技術(shù)，同時提高復(fù)合材料性能和降低制造成本。
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總的來講，制備碳纖維的新技術(shù)可歸納為三大方面：
(1) 研究發(fā)展廉價原絲。在高性能碳纖維成本中原絲所占比例約為40-60%，國外從兩方面降低原絲的成本，一是試探采用聚丙烯腈外的其它材料作為制備高性能碳纖維的原絲，包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯等其它聚烯類高分子材料以及木質(zhì)素等；二是改進現(xiàn)有工藝聚丙烯腈原絲的技術(shù)，達到降低成本的目的，包括采用紡織用的聚丙烯腈、化學(xué)改性、輻照穩(wěn)定化處理等。
(2) 研究發(fā)展新的預(yù)氧化技術(shù)。預(yù)氧化工序在高性能碳纖維成本中所占的比例約為15-20%，而且預(yù)氧化工序的時間也比較長。縮短生產(chǎn)周期，降低成本有重大現(xiàn)實意義。目前在預(yù)氧化方面的新思路是采用等離子技術(shù)。
(3) 研究發(fā)展新的碳化和石墨化技術(shù)。碳化和石墨化是制備高性能碳纖維的關(guān)鍵工序，在成本中所占比例約為25-30%，對產(chǎn)品的最終性能影響極大。在碳化和石墨化方面的新思路是采用微波技術(shù)。
3.2 最新碳纖維技術(shù)動向
PAN基碳纖維技術(shù)開發(fā)新方向包括：碳纖維性能的提高；基體樹脂技術(shù)；成型技術(shù)三個方面。
(1) 碳纖維性能的提高
為了適應(yīng)用途方面的性能提高，謀求強度、彈性模量及成本的平衡： PAN基碳纖維的抗壓縮強度提高—通過把硼離子在高電壓下進行加速照射，使結(jié)晶結(jié)構(gòu)微細化，抗壓縮強度可提高1.3-2.0倍；高彈性模量化—PAN基碳纖維彈性模量達到690 GPa，抗拉強度達到3.4 GPa；碳纖維的界面控制—為了提高耐沖擊性，使碳纖維和基體樹脂的粘接平衡，對碳纖維界面進行表面處理；碳纖維價格降低。 內(nèi)容來自鏈招顧問
(2) 基體樹脂技術(shù)
低溫固化的耐熱性樹脂；熱熔融樹脂；不燃樹脂；碳納米纖維配合碳纖維樹脂預(yù)浸料，提高層間抗剝離強度和耐壓縮強度。
(3) 成型技術(shù)
努力開發(fā)成型的高速化、低價格化、適應(yīng)批量生產(chǎn)的成型技術(shù)及中間體材料。這些技術(shù)包括：
高速成型技術(shù)：樹脂灌注成型、樹脂膜灌注成型(RFI)、RTM成型、擠拉成型、高速纏繞(FW)成型、SMC/BMC成型等技術(shù)并進行積累。
帶有數(shù)字控制(NC)的自動鋪層法：在航空飛機部件的高壓釜成型中，為了優(yōu)先使曲面形預(yù)浸料鋪層合理化和高速化，引入了帶NC的自動鋪層機。
全自動纖維分布：復(fù)合材料的成型材料(窄幅預(yù)浸料)被開發(fā)出自動鋪層的先進裝置。
非加熱成型技術(shù)：由于電子射線和光固化為非加熱成型技術(shù)，是低成本、高性能的大型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制造方法。
RTM成型技術(shù)的進化：把批量生產(chǎn)、低壓、低溫、強化纖維體積分數(shù)、方向、位置設(shè)定自由等特征為研發(fā)的意向。另外，因為補強材料、夾層芯材和嵌件一體成型的可行性，使船身等大型構(gòu)件的成型成為可能。
ACM熱成型體系：由連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂基體的ACM片材的成型法。
3.3 發(fā)展趨勢 鏈招顧問
當(dāng)今世界碳纖維有如下發(fā)展趨勢：產(chǎn)品性能趨向于高性能化；低成本化，價格將從2006年約40美元/公斤大幅度降低；航天航空和文體用品領(lǐng)域用量穩(wěn)定增加，民用工業(yè)用量增幅較大，已超過前兩者。特別是隨著大絲束碳纖維的大規(guī)模生產(chǎn)，其價格將不斷降低，民用工業(yè)用量將繼續(xù)保持大幅度增加的趨勢。目前，碳纖維的市場需求在北美、歐洲、亞洲基本上呈鼎足之勢。按應(yīng)用領(lǐng)域劃分，世界聚丙烯腈基碳纖維主要用于宇航、文體休閑用品、其它工業(yè)等領(lǐng)域，其總體消費比例分別為25.2%，31.4%，43.4%，不同地區(qū)各有側(cè)重。
文體用品方面，目前碳纖維材料已從釣魚竿和高爾夫球棒推廣到網(wǎng)球拍、羽毛球拍、高爾夫球桿、冰雪運動器材、水上運動器材等方面，需求量穩(wěn)步、較快增長。其中高爾夫球桿、網(wǎng)球拍和釣魚竿是體育用品用碳纖維復(fù)合材料的三大支柱產(chǎn)品、約占該類產(chǎn)品的80%。
一般產(chǎn)業(yè)對碳纖維材料的應(yīng)用發(fā)展比較迅速，包括基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)、更新和加固；新能源開發(fā)如沿海油氣田、深海油田的鉆井平臺、管道和纜繩等，以及風(fēng)力發(fā)電機的螺旋槳和風(fēng)葉；汽車的剎車系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動軸、車身以及環(huán)保汽車用的壓縮天然氣氣瓶；電子領(lǐng)域的應(yīng)用主要有通信、廣播、地球觀測、空間探測以及各種飛行器的高精度天線。一般產(chǎn)業(yè)的需求增長較快，將成為碳纖維新的主要應(yīng)用領(lǐng)域。
二、世界碳纖維供需分析
2.1 世界碳纖維生產(chǎn)能力
目前，世界PAN基碳纖維占各種碳纖維材料的80%以上，日本東麗公司、東邦人造絲公司和三菱人造絲公司作為世界碳纖維生產(chǎn)的龍頭企業(yè)，三者的總產(chǎn)能占了世界總產(chǎn)能的78%，其余由美國hexcel、英美的bpamoco和中國臺灣的臺塑三家分擔(dān)。1998-1999年底，世界小絲束和大絲束PAN基碳纖維的生產(chǎn)能力均有一定程度的提升，其增幅分別為 8%和32.1%。由于日本三菱人造絲公司和東麗公司的擴能計劃，2002-2005年，世界PAN基碳纖維總產(chǎn)能從1996年的15.0 kt/a增加到35.6-37.40 kt/a。2005年以后，隨著歐洲空中客車A380及波音公司787客機大量使用碳纖維增強復(fù)合材料，世界碳纖維制造商再度實施擴產(chǎn)計劃，世界碳纖維總產(chǎn)能急劇膨脹。碳纖維市場供應(yīng)短缺的狀況至少將延續(xù)到2009年，甚至可能延續(xù)到2012年。2005-2008年世界碳纖維總生產(chǎn)能力統(tǒng)計及預(yù)測見表2-1，由表可知2005年后三年內(nèi)世界碳纖維生產(chǎn)能力將大幅增加，與2005年產(chǎn)能相比分別增長了23.4%，57.6%和83.7%。
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表1 2005-2008年世界碳纖維總生產(chǎn)能力統(tǒng)計及預(yù)測 (t/a)
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從2008年開始全球碳纖維行業(yè)將加快發(fā)展，碳纖維生產(chǎn)將加大力度，不少生產(chǎn)線會上馬，碳纖維的生產(chǎn)能力將以空前的速度增長。資深金融專家安東尼•羅伯茨(AnthonyRoberts)表示，全球小絲束碳纖維的實際生產(chǎn)能力為名義生產(chǎn)能力的50%～65%，估計當(dāng)今這一比例為65%，實際生產(chǎn)能力是24500 噸；到2014 年，會增加到40000 噸。由于新的生產(chǎn)線上馬，更專注于生產(chǎn)單一的產(chǎn)品，生產(chǎn)效率會更高，實際生產(chǎn)能力會進一步提高，可能達到45500 噸左右。他還表示，目前全球大絲束碳纖維實際生產(chǎn)能力為14500 噸，到2014年，會增長到30000 噸左右。2014 年，這兩種纖維的名義生產(chǎn)能力達93450 噸，比1998 年增長7 倍。 內(nèi)容來自鏈招顧問
表2 全球碳纖維生產(chǎn)能力預(yù)測 (噸)
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2.2 世界碳纖維消費狀況及結(jié)構(gòu)
美國、歐洲和日本是碳纖維復(fù)合材料的主要消費地區(qū)，未來幾年亞洲地區(qū)的需求將快速增長。2006年全球CF市場需求在2.8萬t左右，世界碳纖維的消費結(jié)構(gòu)仍然集中在工業(yè)應(yīng)用、航天航空和體育休閑三個方面，工業(yè)應(yīng)用約占總消費量的58%；航空航天方面應(yīng)用約占23%，體育運動器材應(yīng)用約占19%。日本東邦特納克斯公司對2003年所做的調(diào)查報告作了全面修正，按其新的統(tǒng)計和預(yù)測修正數(shù)據(jù)，2004年約達17.4 kt，2005年約達20.0 kt，2006年約達21.7 kt。該數(shù)據(jù)與碳纖維的總用量相比偏低很多。有專家分析認為，東邦的數(shù)據(jù)是指12K以下小絲束數(shù)據(jù)(詳見表2-18)。2002年國外PAN基碳纖維的消費結(jié)構(gòu)見表2-19。 內(nèi)容來自鏈招顧問
表3 日本東邦tenax對世界碳纖維總用量的統(tǒng)計 (按用途) (t/a)
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表4 2002年國外PAN基碳纖維的消費結(jié)構(gòu) %
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2.3 世界碳纖維需求分析
從2004年起，碳纖維市場突然緊缺，出現(xiàn)了供不應(yīng)求局面，價格隨之急劇上漲。北美及歐洲是碳纖維的主要需求地，兩地的需求量約占全球總需求量的2/3。碳纖維需求擴大的背景包括兩個方面：一是越來越的民用飛機制造商將碳纖維作為機體材料；二是碳纖維在風(fēng)力發(fā)電、液化氣罐、自行車、體育用品等領(lǐng)域的用途正在逐漸擴大。 隨著航空航天、體育休閑和工業(yè)應(yīng)用對碳纖維的需求大幅度增加，全球碳纖維市場正以平均每年兩位數(shù)的速度快速增長。
綜合產(chǎn)能和需求變化，全球碳纖維行業(yè)在未來幾年中仍可維持兩位數(shù)的增長，且供小于求。圖4為21世紀(jì)前十年碳纖維需求量的統(tǒng)計預(yù)測情況，圖7為世界碳纖維供需對比情況。 鏈招顧問
圖1 碳纖維需求量
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圖2 世界碳纖維供需對比
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根據(jù)2004年東麗集團法國Soficar公司報告對21世紀(jì)前十年世界碳纖維需求統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，碳纖維需求量呈逐年增長趨勢。
克律絲•蘭德等幾大世界著名碳纖維生產(chǎn)企業(yè)也對2003年后世界碳纖維市場需求量進行了預(yù)測(見表2-28)，結(jié)果表明2004-2010年世界碳纖維市場持續(xù)保持供不應(yīng)求的局面，市場潛力巨大。2003年之后，航空航天，風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求快速增長，全球碳纖維市場出現(xiàn)供給緊張局面。
羅伯茨廣泛研究了碳纖維生產(chǎn)問題，包括聚丙烯腈(PAN)的前體供應(yīng)，小絲束纖維，大絲束纖維等，然后得到了一組數(shù)據(jù)。羅伯茨對現(xiàn)有的和宣布的碳纖維生產(chǎn)計劃、終端市場生產(chǎn)趨勢加以分析。如果他的預(yù)期屬實，那么未來7 年碳纖維生產(chǎn)擴張將滿足需求。他的數(shù)字涵蓋風(fēng)力發(fā)電、汽車、航空航天、壓力容器、海洋、體育設(shè)備等。不過，碳纖維的主要應(yīng)用領(lǐng)域為航空、工業(yè)和體育行業(yè)。羅伯茨對這些行業(yè)碳纖維需求的預(yù)測是樂觀的(見表2-29)。 內(nèi)容來自鏈招顧問
表5 全球碳纖維需求預(yù)測 (噸)
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預(yù)計2010年全球碳纖維市場將增至9 億美元，碳纖維加強復(fù)合材料部件市場將增至99 億美元；預(yù)計到2010年碳纖維的總需求量將達到32000 噸。顯然，羅伯茨的預(yù)測比該研究報告樂觀。
2.4 碳纖維生產(chǎn)分析
日本是全球最大的碳纖維生產(chǎn)國，2002年日本東麗(Toray)公司碳纖維生產(chǎn)能力達7300噸/年，東邦公司(TohoTenax)擁有5600噸/年的生產(chǎn)能力，三菱人造絲(Rayon)有4700噸的年產(chǎn)量，這3家公司碳纖維的總銷售份額約占全球小絲束市場的75%。美國碳纖維總產(chǎn)量居于世界第二(以大絲束為主)，年產(chǎn)量超過1萬噸，主要制造商有卓爾塔克(ZOLTEK)、阿克蘇(AKZO)、阿爾迪力(ALDILA)等公司。在聚丙烯腈基大絲束碳纖維的生產(chǎn)方面，世界總生產(chǎn)能力為8400 t/a，福塔菲爾(Fort-afil)、卓爾泰克(Zohek)、阿爾迪拉(Aldila)、愛斯奇愛爾(SGL)等四家公司壟斷了世界聚丙烯腈基大絲束碳纖維的生產(chǎn)。其中福塔菲爾公司為3500 t/a，占世界聚丙烯腈基大絲束碳纖維總生產(chǎn)能力的41.7%，居世界的首位。在24K以上大絲束CF的產(chǎn)能中，美國占66%，歐洲占34%。 copyright 鏈招顧問
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