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1、中国碳纤维产业调研报告 目 录中国碳纤维产业调研报告目 录目 录I第1章 碳纤维介绍- 1 -1.1 国外碳纤维产业发展概况- 1 -1.2 碳纤维的物理性能- 2 -1.3 碳纤维的生产工艺- 2 -1.4 碳纤维的产品形式- 3 -1.4.1 碳纤维编织材料- 3 -1.4.2 碳纤维增强复合材料- 4 -1.5碳纤维技术进展及发展趋势- 5 -1.5.1 技术进展- 5 -1.5.2 最新碳纤维技术动向- 6 -1.5.3 发展趋势- 7 -第2章 世界碳纤维供需分析- 8 -2.1 世界碳纤维生产能力- 8 -2.1.1 世界小丝束碳纤维生产能力- 9 -2.1.2 世界大丝束碳纤维生
2、产能力- 10 -2.1.3 世界碳纤维生产能力主要企业分布- 11 -2.1.4 世界碳纤维生产能力按地区分布- 17 -2.2 世界碳纤维消费状况及结构- 17 -2.3 世界碳纤维需求分析- 20 -2.4 碳纤维生产分析- 24 -2.5 重点应用领域状况分析- 26 -2.5.1 航天航空- 27 -2.5.2 体育休闲用品- 30 -2.5.3 汽车工业- 31 -2.5.4 一般工业应用- 32 -第3章 中国碳纤维行业分析- 34 -3.1 中国PAN基碳纤维生产现状及趋势- 34 -3.1.1 中国PAN基碳纤维生产状况- 34 -3.1.2 中国碳纤维行业发展趋势- 36
3、-3.1.3 国产碳纤维存在的主要问题- 38 -3.1.4 对我国碳纤维发展的建议- 38 -3.2 中国碳纤维生产技术开发及应用- 39 -3.3 中国碳纤维消费结构分析- 40 -3.4 中国碳纤维需求状况- 41 -3.5 价格分析- 44 -3.6 我国碳纤维行业未来走向- 45 -3.6.1 碳纤维制备技术方面- 45 -3.6.2 碳纤维应用方面- 45 - 31 -中国碳纤维产业调研报告 第1章 碳纤维介绍第1章 碳纤维介绍1.1 国外碳纤维产业发展概况目前世界各国发展的主要是PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。世界PAN 基碳纤维生产厂商主要有日本Toray(东丽)、Toho(东邦
4、)、Mitsubishi Rayon(三菱人造丝)，美国Hexcel(赫克塞尔)、Amoco(阿莫科)和Zoltek(卓尔泰克)等公司。沥青基碳纤维主要生产厂商有日本Mitsubishi Chem(三菱化学)、Kureha (吴羽)、Donac与美国Amoco 公司。PAN基碳纤维是当今世界碳纤维发展的主流，占世界碳纤维市场的90%以上。国际上PAN基碳纤维的生产，从20世纪60年代起步，经过7080年代的稳定，90年代的飞速发展，到21世纪初其生产工艺技术已经成熟。起初，碳纤维主要用于军工和宇航，经过40余年的发展，其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大。现已发展成为大丝束碳纤维和小丝束
5、碳纤维两大种类。大丝束碳纤维对前驱体要求较低，产品成本低，较适合于一般民用产品T-700及以下系列产品开发。小丝束碳纤维追求高性能，代表着国际碳纤维发展的先进水平。对于高性能PAN基碳纤维，美、日等发达国家均极为重视，在研发、生产方面给予经费、人力上的大力支持，并获得成功。特别是在日本，碳纤维工业已成为该国十大高技术产业之一。日本东丽、东邦及三菱人造丝三家公司是PAN基碳纤维(小丝束)的著名生产厂家。这三家公司依靠其多年来对纺丝工艺理论的精通和纺丝新技术的基础研究、应用研究和开发研究方面的丰硕成果，大量生产出高性能碳纤维，使日本迅速成为世界碳纤维强国，无论质量还是数量上均处于世界领先地位。东丽
6、公司更是世界上高性能碳纤维研究、生产的“领头羊”。美国是继日本之后掌握碳纤维生产技术的少数几个发达国家之一，其碳纤维主要厂商为Hexcel、Amoco公司，它们与日本东丽、东邦及三菱人造丝公司为当今世界碳纤维的5大生产商。PAN基大丝束碳纤维由美国Fortail和美国Zoltek公司商品化。世界主要生产大丝束(LT)碳纤维的厂家是美国阿克苏(AKZ0)、卓尔泰克(ZOLTEK)和阿尔笛拉(ALDILA)三大公司，其大K束的产量之和占世界LT总量的73.7%。值得注意的是日本东丽公司、三菱公司也开始大量生产24K及以上级别大丝束碳纤维。促使大丝束碳纤维迅猛发展的原因可能如下：(1) 市场的需求。
7、九十年代前，航天航空需要高性能小丝束碳纤维，即使价格高也可用轻量化效果来解决。但九十年代以后对于航天航空工业来说，高价碳纤维限制它的应用，需开发价格较低的大K束碳纤维。同时，12K以上碳纤维的性能也可满足航天航空工业的需求，性能与价格比占有一定优势。(2)可大量生产，碳纤维原料成本较低。PAN原丝K数愈大，价格愈低。以国产小丝束PAN原丝为例，1K、3K、6K原丝比12K原丝的价格分别高316%、100%和38%左右。对于PAN基碳纤维生产线来说，原丝占成本价格的5665%左右，原丝价格低必然使碳纤维价格随之而下降。(3)大K数碳纤维制造加工成本较低。对于同一条碳纤维生产设备来说K数大的原丝，
8、产量愈高，越有利于碳纤维价格的下降。如对1条100 t/a碳纤维生产线而言(以12K计算)，如果生产1K、3K和6K碳纤维，年产量分别是15 t、35 t和62 t。1.2 碳纤维的物理性能由于碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，特别是在2000以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其它主要结构材料(金属及其合金)所无法比拟的。此外，碳纤维还兼有其它多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热膨胀系数低、X光穿透性高，非磁体但有电磁屏蔽性等。1.3 碳纤维的生产工艺聚
9、丙烯腈基碳纤维是目前碳纤维发展的主流，占据主要市场份额，世界上几条著名的PAN基碳纤维生产线大多是从原丝开始，直到碳纤维以及中、下游产品开发。例如：日本东丽、东邦、三菱人造丝公司，美国的赫克利公司和阿莫科公司，以及中国台湾地区的台塑都是从聚合、纺丝开始，国外原丝主要生产工艺路线见表1-1。目前PAN基碳纤维的主要生产方法有硝酸法、硫氰酸钠法、DMF法和二甲基亚砜(DMSO)法等。硝酸法操作不易控制，规模难以放大，安全性差，污染严重等，不具备工程化的条件。硫氰酸钠法由于反应介质中含有大量的碱金属离子，对碳纤维原丝的质量影响较大，难以做出T300以上的更高强度的碳纤维产品。DMF法可以做出很好的碳
10、纤维产品，日本、台湾的企业，都有采用该工艺的成功经验，但由于DMF毒性较大，已经被限制使用。二甲基亚砜(DMSO)法是目前国内外公认的最先进的工艺，DMSO腐蚀性小，可以靠简单的减压蒸馏提纯，日本东丽公司采用了该工艺。表1-1 国外PAN基碳纤维原丝生产工艺研制单位溶剂工艺路线纺丝方法日本东丽日本东邦美国BASF日本三菱人造丝二甲基亚砜氯化锌水溶液二甲基乙酰胺二甲基甲酰胺一步法一步法二步法一步法湿纺湿纺熔纺湿纺湿纺日本爱克纶英国考特尔兹日本旭化成NaSCN二甲基甲酰胺NaSCN二甲基压砜二步法二步法一步法二步法湿纺湿纺湿纺干喷湿纺1.4 碳纤维的产品形式1.4.1 碳纤维编织材料表1-2 碳纤
11、维和深加工制品及其应用概况碳纤维长丝预浸料单项预浸料(无纬布)双向预浸料(带、布)束丝预浸料织物二维织物三维织物多维织物短切纤维碳纤维纸粒料微纤(研磨)镀、喷金属各种浸渍物短切复合纤维包覆塑料导线电缆碳纤维主要有四种产品形式：纤维、布料、预浸料坯和短切纤维。布料是指由碳纤维制成的织品；预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状；短切纤维指的是短丝。碳纤维产品形式及加工制品如上表1-2所示。1.4.2 碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料主要包括：碳纤维增强陶瓷基复合材料，C/C复合材料，碳纤维增强金属基复合材料，碳纤维增强树脂基复合材料等，它们的主要用途见
12、表1-3。(1) 碳纤维增强陶瓷基复合材料用碳纤维增强陶瓷可有效改善韧性，改变陶瓷脆性断裂形态，同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料，在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域广泛应用。(2) C/C复合材料它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成，主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种材料除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外，还具有较高的断裂韧性和假塑性。在高温环境中，强度高、不熔不燃，广泛应用于导弹弹头，固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等领域。表1-3 碳纤维的主要用途及应用形态、种类种类用
13、途 有关产业丝束高温隔热材料电子、汽车、飞机、原子能复合材料CFRCF增强树脂(CFRP)密封材料化学、石油工业、石油、汽车功能材料(滑动、导电、耐腐蚀材料等)电子、电工、机械、宇航、飞机、化学CF增强碳(CFRC)结构材料(重要较高模量的一次，二次结构用才)运动器材、飞机、宇航、电工、医疗烧蚀材料 宇航CF增强金属(CFRM)摩擦材料汽车、铁道、飞机、机械炭、石墨材料钢铁、电工CF增强水泥(CFRC)有关电池的基材电力、汽车建筑、土木材料船舶、住宅建设(3) 碳纤维增强金属基复合材料碳纤维增强金属基复合材料具有高的比强度和比模量，高的韧性和耐冲击性能。目前碳纤维增强铝、镁基复合材料的制备技术
14、比较成熟。(4) 碳纤维增强树脂基复合材料 (CFRP)它具有轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点，被广泛应用作结构材料及耐高温烧蚀材料。碳纤维增强树脂复合材料所用树脂基体主要分为两类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。碳纤维增强热塑性塑料是指碳纤维为分散质，热塑性塑料为基体的纤维增强塑料。用碳纤维增强热塑性塑料近年来发展较快，其特点是：强度与刚性高，蠕变小，热稳定性高，线膨胀系数小：减摩耐磨，不损伤磨件，阻尼特性优良。碳纤维增强热固性塑料是以热固性塑料为基体，以碳纤维及其织物为分散质的纤维增强塑料。碳纤维及其织物与环氧、酚醛等树脂制成的复合材料具有强度高、模量高、密度小、减摩耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小、导热率大，耐水性好等特点。1.5碳纤维技术进展及发展趋势1.5.1 技术进展当前，PAN基碳纤维向两个方面发展：一是提高，二是普及。提高是指小丝束碳纤维(124K)的质量提高，普及是指大丝束碳纤维(48540K)的产量大幅度增加，价格日趋下降。随着航空航天飞行器各项性能的不断提高，对结构件用材料的性能要求也越来越高。国外碳纤维主要生产商都在积极地开发超高强度、超高模
