【科普】碳纤维--一探究竟

20世纪60年代以来,碳纤维作为新一代复合材料的增强纤维,以其高强度比、高模量比、低密度、低X光吸收率、抗腐蚀····...





20世纪60年代以来,碳纤维作为新一代复合材料的增强纤维,以其高强度比、高模量比、低密度、低X光吸收率、抗腐蚀、耐烧蚀、抗疲劳、耐热冲击、导电导热性能好、传热系数小、膨胀系数小和自润滑等优异性能而在航天航空、航海、建筑、轻工等领域中获得了广泛的应用。

CFRP的种类和构造



碳纤维增强复合材料（CFRP）是如何制造出来的呢？就让我们从碳纤维说起。碳纤维只是一种纤维，只用它是无法制造出部件的。所以，碳纤维要和树脂一起制成复合材料使用。根据所用树脂种类的不同，以及碳纤维品种、状态（可制成织物及短纤维等多种形态）的不同，制成的CFRP的特性也大不相同。单是主要的中间基材（成型材料）就有4种。这些中间基材及成型材料对应的主要成型方法也不一样。

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碳纤维性质



比铝还要轻,比钢还要硬,密度是铁的1/4，强度是铁的10倍，这就是我国之前绝大部分依赖进口的高科技材料碳纤维。碳纤维作为一种高性能纤维，具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。此外，还具有纤维的柔曲性和可编性。碳纤维很少直接使用，大多是经过深加工制成中间产物或复合材料进行使用，应用碳纤维后可以大大提高产品强度、减轻结构质量、延长使用寿命和增加安全可靠性，因此，从国防军工到民用工业，包括航空航天、清洁能源、土木建筑、交通运输等领域,碳纤维复合材料都获得进一步的应用。

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碳纤维的复合效果



碳纤维属于脆性材料，只有将它与基体材料牢固地结合在一起时,才能利用其优异的力学性能,使之更好地承载负荷。因此,碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷,而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料。碳纤维增强树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、碳纤维为增强材料,通过复合工艺制备而成,具有明显优于原组分性能的一类新型材料”。它具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计一性强、便于大面积整体成型以及具有特殊电磁性能等特点,已经成为最重要的航空结构材料之一。

碳纤维增强树脂基复合材料所用基体树脂主要分为两大类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性,广泛应用于工和民用产品。但是,它的致命弱点是脆性大,并且对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感.用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性,改变陶瓷的脆性断裂形态,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,因其具有优良的高温力学性能，在高温下服役不需要额外的隔热措施,因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用。碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称,也是一种高级复合材料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料主要由各类碳组成,即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能,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。特别是在高温环境中,强度高、不熔不燃,仅是均匀烧蚀.这是任何金属材料无法与其比拟的。因此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高科技领。碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维,金属为基体的复合材料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比,具有高的比强度和比模量；与陶瓷相比,具有高的韧性和耐冲击性能。金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等。其中,碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟。制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层,以防止在复合过中损伤碳纤维,从而使复合材料的整体性能下降.将碳纤维加人到水泥基体中即制成碳纤维增强水泥基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Ce-ment Compoistes,简称CFRC），称纤维增强混凝土。在水泥基材料中掺入高强碳纤维是提高水泥复合材料抗裂、抗渗、抗剪强度和弹性模量,控制裂纹扩展，提高耐强碱性，增强变形能力的重要措施。此外，与普通混凝土相比，CFRC具有质轻、强度高、流动性好、扩散性强、成型后表面质量高等优点,将其用作隔墙时,比普通混凝土制作的隔墙薄1/2~1/3,重量减轻1/2一1/3。

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碳纤维市场报告




全球市场需求



据预测2018年，是达到10万吨需求的年份，这个信心主要来自2016年以来，各家大丝束厂家的由风电巨头包销，大丝束市场出现短缺的市场现状，同时宝马，福特为代表的欧美车厂公开的雄心勃勃拓展复合材料在汽车领域的应用。

碳纤维行业是具备放量降价的特点的，毕竟最根本的原料，丙烯晴的当前价格是7000多元/吨，经历原丝与碳化，成本就到100,000元/吨以上，期间，还有大量节省成本的空间。

从碳纤维产业角度：只要需求端有明确的、大批量的需求，低成本碳纤维（比如60,000元/吨），从技术上是可行的。


全球市场应用



从市场排名看，风电叶片第一次超越航空航天的用量，成为最大的分市场。今年，很多碳纤维厂的24K及更大丝束的生产线被风电巨头包销，这也预示这近几年的迅猛增长。另外，汽车领域的应用增长会加强。
中国市场需求



这些数据对比2014年报告与较大的调整，主要参考了历年的海关进口数据。

这次没有统计大中华地区（台湾的用量估计在1000-1500吨范围）。只是对大陆地区作了统计。

2013年对比前几年有一个需求猛增：我们认真分析了数据，得到的结论是市场经过几年培养，集中式增长爆发。

从2015年到2020年，我们按照年增长12% 预测未来的需求数据。

主要依据是：以自行车为代表的体育器材的持续增长，风电叶片需求的强劲增长，主要是盐城的TPI和天津的VESTAS，以及国内为风电叶片配套的部件制造企业。希望国产叶片能尽快加入。



注意，FABRIC &PP 是碳纤维织物及预浸料。只所以包含韩国，只要是考虑东丽在韩国的4700吨的碳纤维产能与相关后续工艺。到2105年，即使是韩国加工的织物与预浸料，多是东丽的纤维。



从进口来源国解读几组数据：

日本及韩国（东丽分公司）出口到中国的碳纤维为7400吨，占总供应量的44%，几乎半壁江山。这其中，包含了25.6%的织物与预浸料。

所以，对于高端纤维、制品及基础复材，国内还是有旺盛需求的。

天津VESTAS和盐城的PPI两家风电叶片大约消耗了近900吨大丝束碳纤维，主要来源是ZOLTEK在匈牙利的工厂。

台塑集团，土耳其AKSA共销售了近4000吨纤维。中复神鹰销售了大约1400吨纤维，剩下的1100吨纤维由3-4家单位分享。

所以，中国现有的23家碳纤维企业，能形成有效市场化销售的（不含特殊销售）只有4-5家。这说明一个严酷的现实：中国碳纤维产业有效供给严重不足。

如果中国能量产48-60K大丝束碳纤维，价格控制在USD10美元，对全球18,000吨需求的客户，还是有很强的吸引力的。

面对汽车市场巨大的需求潜力，我们提出一个观点：碳纤维复合材料行业不要去为汽车行业是否该用碳纤维去操闲心，汽车行业巨大、工业文明程度高、精英云集，要站在全球汽车供应链的角度，与领先的汽车企业及一级供应商建立往来，我们只需要苦练内功，尽快做出大丝束、低成本的碳纤维，客户就一定主动上门。



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