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1、 . . . 国产碳纤维复合材料与其在飞行器上应用技术高技术产业化示工程项目资金申请报告目 录1项目意义和必要性11.1碳纤维的国外现状和技术发展趋势11.2项目对产业发展的作用与影响171.3产业关联度分析221.4市场分析231.5与国家高技术产业化总体思路、原则、目标关联情况232项目技术基础242.1承担单位技术基础和能力242.2取得的成果与知识产权情况282.3已完成的研究开发工作与突破的关键技术302.4技术工艺特点以与与现有技术工艺比较所具有的优势332.5对行业技术进步的重要意义和作用343项目建设方案363.1建立国产碳纤维复合材料性能综合分析评价平台363.2建立预浸料制
2、备技术与适用性评价平台463.3建立大型复合材料结构件制备平台563.4建立大型复合材料结构件检测与评价平台723.5建立国产碳纤维复合材料结构试验验证平台793.6建立国产碳纤维复合材料技术标准平台853.7建设地点、建设期管理与总体进度安排884项目投资904.1平台投资规模904.2投资使用方案914.3资金筹措方案与配套资金落实措施915环境保护、资源综合利用、节能与原材料供应与外部配套条件落实情况915.1环境保护915.2原材料供应与外部配套条件落实情况925.3节能分析936项目法人基本情况937项目财务分析、风险分析与社会效益分析947.1项目财务分析947.2项目风险分析94
3、7.3社会效益分析968项目招标容989资金申请报告附件98 / 1 项目意义和必要性1.1 碳纤维的国外现状和技术发展趋势1.1.1 碳纤维的国外现状和技术发展趋势碳纤维是一种以聚丙烯晴PAN、沥青、粘胶纤维等材料为原料，经预氧化、碳化、石墨化等过程制得含碳量达90%以上的无机纤维材料，具有高的比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、导电导热性好，热膨胀系数小等一系列优异性能，成为航空航天等高技术领域最重要的结构或功能材料之一。目前，世界碳纤维产业已形成了PAN基、沥青基、粘胶基三大原材料体系，其中沥青基、粘胶基碳纤维用途单一，产量有限。PAN基碳纤维由于产品力学与高温性能优异，兼有良好的结构和功
4、能特性，因而发展最快，成为高性能碳纤维发展和应用的最主要和占绝对地位的品种，主要用于高性能结构和功能复合材料。碳纤维起源于19世纪60年代，1961年日本大板工业研究所用聚丙烯晴为原料研制成功PAN基碳纤维，1964年以后碳纤维的生产向高强度、高模量方向发展。自70年代起日本的东邦人造丝、东丽、三菱人造丝公司利用本国的研究成果纷纷建厂，进行了PAN基碳纤维的工业化生产，其后又与美国、德国、法国、英国合作建立了子公司，70-80年代日本、美国相继突破PAN原丝、预氧化、碳化等关键技术，日本东丽公司相继开发了一系列高强纤维和高模纤维。PAN基碳纤维产业进入快速发展阶段（表1）。表1阶段时间主要技术
5、特征第一阶段60年代突破PAN基碳纤维连续制备技术路线第一阶段70年代突破T300、M40级PAN基碳纤维工程化规模生产第一阶段80年代高性能PAN基碳纤维，高强型（HS）、高模型（HM）到中强高模型第一阶段90年代继续高性能产品的研发，发展多功能、低成本化产品以日、美为代表的高性能PAN基碳纤维已经发展多种型号/规格碳纤维，从性能上覆盖了通用型、高强型（HS）、高模型（HM）到中强高模型、 高强高模型、超高强型多个性能等级，可适应不同应用环境对性能的不同要求（表2）表2日本碳纤维协会按力学性能将碳纤维分为5个等级等级力学新性能典型牌号拉伸强度，MPa拉伸弹性模量GPa低弹性模量LM30002
6、00标准弹性模量SM2500200-280T300，T700SC中等弹性模量IM4500280-350T800HB，T1000高弹性模量HM350-600M40，M50超高弹性模量UHM600UM63，UM68目前，世界PAN基碳纤维的主要生产厂商有日本东丽（Toray）、东邦（Toho）、三菱人造丝公司，美国Hexcel、Amoco、Zoltek等公司，其中日本不仅是碳纤维的主要生产国，而且是西方主要发达国家高质量PAN基碳纤维的供应国，在航空航天用的小丝束纤维方面具有垄断地位，日本三家公司生产碳纤维占全球碳纤维75%以上。其中东丽公司生产的碳纤维其产量和品质都具第一位，可代表当今的世界水平
7、(表3).表3. 国外主要碳纤维的性能与应用纤维拉伸强度，MPa拉伸模量，GPa断裂伸长，%密度，g/cm3应用T300352023015176B747，B767，B777T70049002302118B777，B787T80054002941918B777，B787T1000706029424182-AS4393022116177B747IM6524027617176B787IM7537927618177B787IM854473031718B787M40J441037712177M50J393047508188M55J392054007193M60J392054007194小丝束（12K以下
8、）碳纤维在质量和性能稳定性上优于大丝束碳纤维，在航空航天等军工行业多以小丝束碳纤维应用为主。国外已解决了较大丝束（12k和24K）碳纤维在预浸工艺过程或机织工艺过程的分散问题，已开始在787等飞机上获得应用。碳纤维属多学科、多技术的高新技术产品，PAN基碳纤维的生产流程十分复杂。上游原材料为石油化工产品（丙烯晴、引发剂、共聚单体和溶液），经高分子聚合反应，形成PAN（聚丙稀晴），纺丝后形成PAN纤维，再经过预氧化、碳化（石墨化）加表面处理，上浆剂最终生产出碳纤维。设计的学科多（高分子聚合，纺织工学、碳素工学，表面处理电化学，有机化学），流程长，技术交叉， 是高度技术密集型的产品。其中PAN基碳
9、纤维原丝质量是得到高性能的碳纤维的关键。世界上几家公司的PAN基碳纤维的生产线多是从原丝开始直到碳纤维以与中、下游产品开发形成“一条龙”生产线。碳纤维的生产是一个系统工程，在一个公司可有效地将原丝、预氧丝和碳纤维质量前后关联起来统一研究。目前碳纤维生产的主要厂家有Toray（东利）;Toho（东帮）Hexcel;Cytec（主要生产涂料，也干一些预浸料）;Zoltac等（B787主要用Toray； Hexcel和少量 Cytec的，尤其是其905表面涂膜和用于代替Invar合金制造工装的BMI）。 面对碳纤维市场供应的严重短缺，世界上几大碳纤维生产厂家均在扩产：东丽为波音787在美国将生产厂扩
10、大为两个，在法国其将菲卡（SOFICAR）分公司碳纤维年产量拟从800t扩至2600t；东帮德国公司碳纤维年生产量拟从1900t扩至3400t。由于碳纤维的扩产需要一个过程，所以碳纤维紧缺的状况短期难以缓解。1.1.2 碳纤维的国现状和技术发展趋势我国的碳纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水平，与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。我国大陆从60年代开始研发碳纤维，70年代中期碳纤维正式纳入国家科技攻关计划，先后有中科院化学所，煤化所、化工大学等多家研究单位和化学工业公司
11、等多家企业参与攻关研究，但30年来碳纤维的关键技术未能突破。在“十五”期间已863计划的实施，开始碳纤维新的技术攻关。在关键技术上和部分关键设备引进上取得了较大的进展，技术成果已开始从试验线向中试线过渡，形成了新一轮建生产线的高潮。如威海拓展、的汇通、中石油吉化等企业已在建百吨的碳纤维生产线。威海拓展碳纤维已在百吨生产线提供碳纤维，碳纤维的性能基本达到东丽T300性能水平，但数据分散性仍比T300碳纤维的大，表明拓展碳纤维在工艺稳定性方面还需要提高。（表4）表4. 拓展碳纤维(CCF-300)主要性能（2005年）（703所测试）试样编号拉伸强度，GPa拉伸模量，GPa断裂伸长率，%线密度，g
12、/KmXCV%XCV%XCV%051031013.744.32701.91.444.4200.2051031023.655.22132.11.795.5196.4051031033.535.12192.91.705.9201.0051031043.783.22312.31.703.5193.1T3003.552.32470.81.522.266.7X32005年4月2日通过省科技厅组织的技术鉴定，鉴定意见主要容（1）拓展公司建立25吨/年1K（3K）CCF-1碳纤维用聚丙烯（PAN）原丝中试线是国目前规模最大、技术最先进、设备完善的中试线，经过一年开车试验表明能够实现连续、稳定的生产，批量生产
13、的碳纤维原丝性能稳定。（2）在一样测试条件下，中试线生产的原丝所得的碳纤维与国外同类产品对比，体密度、含碳量和力学性能（强度、模量、伸长率）与其波动率指标相当（3）开发出多项核心技术，如低单体平衡浓度下的连续聚合、蒸汽牵伸、水洗、二次上油、两级凝固等具有自主创新性的技术。1.1.3 国外碳纤维复合材料应用的现状和发展趋势自从碳纤维工业化生产以来，世界各国都特别重视其应用开发。随着价格不断降低，其应用围从满足性能要求高的航空、航天领域逐步向文体和民用领域推广。目前，碳纤维的市场需求在北美、欧洲、亚洲基本上呈鼎足之势。按应用领域划分，世界聚丙烯腈基碳纤维主要用于宇航、文体休闲用品、其它工业等领域，
14、其总体消费比例分别为25.2%、31.4%和43.4%，不同地区各有侧重。由于碳纤维复合材料具有高比强度、设计性好、结构尺寸稳定性好、抗疲劳断裂性好和可大面积整体成型，以与特殊的电磁性能和吸波隐身的特点，目前已大量用于生产军用、民用飞机以与战略导弹和运载火箭上，需求量稳步增长。在国际上，一架A380飞机可能用碳纤维35t左右，正常批量生产后，年耗量需要1000t。一架波音787飞机可能用碳纤维25t左右，以年生产量60架计，则年耗量需要1500t，加上欧洲的大型军用运输机A400M，届时可有3000t的年耗量。如果再加上其他军机、中小型民机、直升机和各种无人机的复合材料用量，仅航空领域的碳纤维耗量即可达到5000t以上。巨大的需求造成了碳纤维供应的全面趋紧，市场供应严重短缺。文体用品方面，目前碳纤维材料已从钓鱼竿和高尔夫球棒推广到网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、冰雪运动器材、水上运动器材等方面，需求量稳步、较快增长。其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品，约占该类产品的80%。一般产业对碳纤维材料的应用发展比较迅速，包括
