聚丙烯腈PAN基碳纤维发展与应用Word格式.docx

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高性能碳纤维是制造先进复合材料最重要的增强材料，是发展国防军工与国民经济的重要战略物资，在当今世界高速工业化的大背景下，碳纤维用途正走向多样化、核心化[1]。

目前世界主要PAN基碳纤维的规模仅次于芳纶，跃居世界高性能纤维的第二位。

碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料，是我国目前乃至今后相当长一段时间内鼓励优先发展的高科技纤维之一，也是国家迫切需要短期内突破的高新技术纤维品种。

随着近年来我国对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料行业研发的热点。

1物化性能

碳纤维是指含碳量高于90%的无机高分子纤维，其中含碳量高于99%的称石墨纤维。

碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，导热性及导电性介于非金属和金属之间，具有极好的纤度，还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、膨胀系数小等一系列优异性能。

目前几乎没有其他材料像碳纤维具有那么多的优异性能。

但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。

因此，碳纤维在使用前须进行表面处理[2]。

用一些含碳的有机纤维，如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等做原料，将这些有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在惰性气体中，在一定的压强下加热碳化而成的碳纤维新型纤维材料，除了有优越的抗拉强度和抗变形能力之外，在化学组成上也非常稳定，并且具有耐腐蚀性好、x射线穿透性高、纤维密度低、耐高温和低温能力强等特点。

碳纤维通常不会被单独使用，多作为增强材料按照不同的配比，与环氧树脂等合成树脂基材料，形成碳纤维强化塑料。

同钛、钢、铝等金属材料相比，碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等优点，广泛应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域及高尔夫球棒、羽毛球拍等体育休闲领域。

2制造工艺

PAN基碳纤维的制造分为两步进行，第一步是用丙烯腈（AN）单体制造PAN原丝，类似于纺织用的PAN纤维的生产。

第二步是原丝的预氧化和碳化，预氧化处理的目的是使PAN的线性分子链转化为耐热的梯形结构，使其在高温碳化时不熔不燃，保持纤维形态。

碳化过程是碳纤维形成的主要阶段，除去了纤维中大量的氧、氮和其他元素，再经表面处理、干燥上浆得到具有金属光泽的PAN基碳纤维产品。

PAN原丝的制备在整个碳纤维生产中至关重要，按纺丝方法可分为湿法、干法、干湿法和熔融法等，纺丝溶剂有NaSCN、ZnCl2、HNO3、DMF（二甲基甲酰胺）、DMSO（二甲基亚砜）等，以DMSO为溶剂的制造工艺具有技术成熟、产品质量稳定、原料及能耗消耗低、三废排放量少、经济效益好等明显优势[3]，是目前世界上PAN原丝生产主要采用的加工路线。

整个制造工艺过程如图1所示。

碳纤维生产工艺流程长，技术关键点多，生产壁垒高，是多学科、多技术的集成，其中碳纤维原丝的生产技术更是难中之难，主要表现在碳纤维原丝的喷丝工艺、丙烯腈聚合工艺、丙烯腈与溶剂及引发剂的配比等。

目前，世界碳纤维技术主要掌握在日本的东丽公司、三菱人造丝公司和东邦人造丝公司，这3家公司生产的基本情况见表1。

而美国赫克塞尔（Hexcel）、阿莫科（Amoco）和卓尔泰克（Zoltek）等公司及其他碳纤维企业均处于成长阶段，生产工艺还正在不断完善。

中国石化上海石油化工股份有限公司公布的申请号/专利号为200610117242的一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的制造方法，采用以水相悬浮聚合制得的聚丙烯腈树脂为原料以两步法制造聚丙烯腈基碳纤维原丝，因有效去除了源自引发体系的碱金属杂质，故产品为高纯化的。

3生产现状

3.1国外情况

世界PAN基碳纤维的生产，在20世纪60年代起步，经过70～80年代的稳定，90年代的飞速发展，到21世纪仍是扩大生产的快速发展期。

目前，世界碳纤维年产量约48kt，PAN基碳纤维约占各种碳纤维材料的80%以上，其中日本东丽、三菱人造丝和东邦人造丝三家公司占据了70%以上，其余主要的生产商还有美国Hexcel、Cytec、Zoltek公司和德国SGL公司及韩国泰光产业公司等。

近年来，国外对碳纤维技术开发研究集中在提高性能、降低成本方面。

日本东丽公司根据先进复合材料市场发展的需求，已决定逐步淘汰T300类碳纤维，重点发展拉伸强度为4000～5000MPa、价格与T300基本相当的碳纤维品种，同时由于大丝束碳纤维性价比较高，也开始发展大丝束碳纤维，如最新开发的T600S、T700S、T700G等。

为了满足对碳纤维的大量需求，碳纤维生产厂家相继增设生产能力。

以PAN基碳纤维为例，除世界最大的日本东丽公司将在日、美、法3个基地增加生产线外，东邦人造丝公司也在日本和德国建设新的生产线。

碳纤维企业正以能源问题和环境问题为契机，努力扩大市场需求。

日本东丽、三菱人造丝、东邦人造丝、德国SGL、美国Hexcel、Cytec和Zoltek世界七大碳纤维制造商，已宣布计划在未来3～5年内扩产78%，总投资额为87970万欧元（13亿美元），见表2。

在新工艺和新技术方面，美国为降低碳纤维价格，推出了低成本碳纤维研制计划。

OakRidge国家试验室（ORNL）开发出一种新的高速氧化方法，即交联聚丙烯腈基碳纤维加工过程，使其固有的独特直链能经受住高温加工过程；

同时还开发了一种微波等离子体装置，组合典型独立和有序的碳化以及石墨化过程，简化生产工艺，上述工艺可节省成本2.2美元/kg。

三菱人造丝公司发明的新型碳化炉，可抑制碳化反应生成的分解物附着和堆积于炉壁及纤维上，从而稳定高效地生产高强高模的碳纤维。

东丽公司则研制一种三叶形断面的PAN原丝及碳纤维，可改进与树脂的粘合性、压缩强度和抗弯强度。

此外，国外某些研究部门正试验采用PAN外的其他材料作高性能碳纤维用原丝，包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯等聚烯烃类高分子材料及木质素等，或是通过改进现PAN原丝的工艺技术，例如采用化学改性、辐照稳定化处理等方法，来达到降低原丝生产成本的目的。

3.2国内情况

我国对碳纤维的研究起步并不晚，虽取得了一些进展，但多年来发展较为缓慢。

20世纪60年代，由中科院长春应用化学研究所率先开始PAN基碳纤维的研究，70年代初完成了连续化中试装置。

其后上海合成纤维研究所、中科院山西煤化所、北京化工大学、山东工业大学等也开始研究工作，并于80年代中期通过了中试，进入产业化试生产阶段，先后建成了从年产几百千克到几吨的小试装置和年产几十吨的中试装置。

但总体而言，不论是技术水平、生产能力和产品质量等都与国外先进水平有较大的差距[4]。

进入21世纪以来国内碳纤维产业发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了年产500t原丝、200tPAN基碳纤维生产装置，成功地填补我国碳纤维及原丝工业产业化生产空白。

该公司还计划5年内在自主研发的前提下，将碳纤维的年生产规模发展到1kt，同时配套年产2.5kt原丝，其中一部分碳纤维用于军工领域，一部分通过制成下游产品预浸布后投放市场。

可喜的是从2000年开始我国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。

目前利用自主技术研制的少数国产碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。

近年来，国家有关部委已将碳纤维技术的产业化进程作为我国的一项战略任务。

随后，一些企业相继加入碳纤维生产行列。

目前，我国已有吉林神舟碳纤维公司、山东天泰新材料股份有限公司、浙江嘉兴中宝碳纤维有限公司、保定天鹅化纤集团、大连兴科碳纤维有限公司、山西恒天纺织新纤维科技有限公司等生产规模大小不一的碳纤维生产厂家，合计年生产能力为2.31kt。

据不完全统计，目前拟建和在建的碳纤维生产企业有11家，合计生产能力为原丝年产量7.1kt、碳纤维3.26kt，其中在建企业为4家，合计生产能力为原丝年产量1.1kt、碳纤维470t。

2008年12月中复神鹰碳纤维有限公司万吨级碳纤维产能的一期工程千吨级碳纤维装置在江苏连云港建成投产，使碳纤维技术首次在国内实现批量生产，成为我国能达到经济规模、原丝能够自给的碳纤维工业化生产线，国内外供需矛盾也得到一定程度的缓和。

该公司计划2009年开始T700碳纤维项目的研究，同时开工建设年产2kt碳纤维生产装置，在2年内达到年产3kt规模，3～5年内达到10kt年产能。

4应用领域

碳纤维除了传统的成熟市场——航空航天领域、国防军事领域和体育休闲用品外，汽车构件、风力发电叶片、建筑加固材料、增强塑料、钻井平台等碳纤维新市场正在兴起。

待开发市场有压力容器、医疗器械、海洋开发、新能源等领域[5]，目前几个主要应用领域的情况如下:

4.1新型民航机

航空航天领域是世界碳纤维的传统市场，航空器中碳纤维复合材料的使用量未来几年将以年均12%的速度继续增长，估计将从2008年的8.2kt增加至2010年是的10kt以上，2012年可达13kt。

碳纤维复合材料约占空客A380飞机35t结构材料中的20%以上，包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁。

波音787中结构材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料，包括主机翼和机身。

金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量，而且还可以保证不损失强度或刚度，大大提高了燃油经济性。

新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。

同时，碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。

例如，三菱重工计划利用碳纤维复合材料制作新一代支线喷气客机MRJ主机翼和尾部组件，该机型预计在2013年进入市场。

4.2汽车构件

汽车领域中由于目前碳纤维的价格偏高，与钢材价格相比并没有优势，只能说是未来潜在的大市场。

但若是钢材价格持续上扬则将可能缩小两者间的差距。

而采用碳纤维材质将可改善车辆的燃料效能，并使二氧化碳排放减少30%。

今后随着大丝束碳纤维价格的进一步下降及回收技术的确立，预期将应用于汽车的许多部件和结构材料。

目前碳纤维复合材料传动轴、刹车片、尾翼和引擎盖已经在汽车行业广泛应用，虽然现在主要是用在豪华车型，但预计未来将在大众车型中推广。

日产汽车、本田汽车和东丽公司将联手开发汽车车体用的新型碳纤维材料，使车体较使用钢材者轻40%。

随着碳纤维成本的降低和世界范围内对环保要求的提高，碳纤维在汽车行业需求前景也较为乐观。

4.3风力发电叶片

风能发电成本低廉，已成为人类开发新能源的重要领域。

预计未来5年，风能发电的市场需求将以每年15%～20%的速度增长。

近年来虽然风力发电产业发展很快，但风力发电装备的关键部件叶片多使用玻璃纤维增强材料（GFRP）制造，难于满足叶片尺寸加大对刚性的要求。

碳纤维材料在叶片上的应用，无疑将促进风能发电产业的发展。

碳纤维在风机叶片中的应用到2010年，将成为继航空航天后的第二大应用。

就风能系统而言，丹麦风机生产商维斯塔斯（Vestas）预测，到2020年全球的电力消耗量中，风电的份额最高将达到10%。

该公司在风机叶片的载荷加强杆中使用碳纤维，目前为止已经安装了将近3.4万套的风机系统。

目前全球风能发电装机容量的增长速度正在加快，高碳纤维含量的长叶片制成的大容量风机将成为主要趋势。

4.4建筑补强材料

土木建筑领域碳纤维抗震修补和增强措施中使用，其主要应用是工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等结构体之加固补强，以及结构中梁、板、柱、墙等构件之加固补强。

碳纤维自重轻，强度高，耐久性好，抗腐蚀能力强，可耐酸碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强，是桥梁加固和建筑物抗震补强的理想材料。

近年来在发生日本阪神、淡路和台湾省大地震后，海外的需求量大增，日本的碳纤维耐震补强材料和技术已向海外扩展。

此外，用碳纤维管制的桁梁构架屋顶，比钢制品轻1/2，使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。

由于我国拥有世界上最大的土木建筑市场，碳纤维作为加固建筑结构材料的应用将面临良好的市场机遇[6]。

5市场前景

5.1国外需求

碳纤维与金属相比，具有高强度、高模量、耐热性、导电性、耐磨性等优异特性，在体育休闲、一般工业、航空航天等领域广泛使用。

PAN基碳纤维的世界年需求估计约39kt，以每年13%的速度，预计到2010年将增加到近42kt，到2012年将达51kt，2018年需求量将超过80kt。

虽然当前世界经济发展面临重重危机，但碳纤维的需求仍在升温[7]。

有关专家预计未来几年，全球碳纤维需求仍将以年均两位数的增幅保持快速增长，市场供应短缺至少将延续到2010年。

短期看来，碳纤维会供不应求，但到2012年，供应可能会超过需求。

世界碳纤维在几个主要应用领域的预计年需求量见表3。

5.2国内需求

尽管我国碳纤维生产发展较为缓慢，而消费量却一直呈逐年增加的趋势，市场需求旺盛。

我国碳纤维的年需求量已超过7kt，2010年将突破8.5kt。

近年来，我国体育休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的需求迅速增长，航空航天技术的快速发展急需高性能碳纤维及其复合材料，体育休闲用品的使用量最大，占消费量的约80%～90%。

专家分析说，我国正处于经济快速增长时期，随着西部大开发、中部崛起、东北振兴等战略的不断深入，碳纤维将会越来越多地被用于建筑工程和结构制品中。

同时，随着我国汽车业的不断发展，碳纤维有可能在我国被大范围地应用到工业领域中。

另一方面人们物质文化生活水平的不断提高，会有越来越多的人参与各种运动休闲活动。

考虑到我国对碳纤维的应用还在不断发展，许多用途还有待开发，碳纤维在我国将会有极为广阔的市场前景[8]。

此外，全球碳纤维市场发展迅速，需求量的不断增长给我国碳纤维行业的发展提供了难得的机遇。

6发展建议

6.1突破PAN原丝关键技术瓶颈

日本、美国等主要生产公司长期以来不但对高性能特种原丝制备技术高度保密、不肯转让，也不出售高性能特种原丝产品，而且成套技术引进的可能性小。

国内在制约碳纤维发展的诸多原因中，PAN原丝水平的落后是制约碳纤维水平提高的瓶颈，不仅影响碳纤维的质量，而且影响其产量、生产成本和市场竞争能力。

当前亟待掌握高性能PAN基原丝生产技术，抢占市场先机。

在完善碳纤维生产技术的前提下，尽快在PAN基原丝制造工艺技术上取得突破，发展高质量的上游产品生产线，保证碳纤维生产稳定、产品优质，从而在关键技术上打破了国外的封锁与垄断。

6.2避免重复引进和重复研究

碳纤维是一种高投入、高风险、高能耗的产业。

国家对其扶持应主要集中于建立互通有无的系统化研究网络，同时加大投入及税收、信贷等政策倾斜，以鼓励碳纤维生产企业、原料生产企业和有实力的投资企业，特别是对走在前面的开拓性企业财力上的倾斜力度。

尽管我国对碳纤维的生产有明确的规划和目标任务，但重复引进、重复研究现象仍然非常严重。

国家应重点扶持几个成功企业，大力协同，优化布局，整合资源，合作攻关，防止低水平重复建设和盲目发展，实现让更多企业少走弯路、节约成本的目标，使我国成为独立掌握、自主拥有和实现产业化发展的国家。

6.3加快提升自主创新能力

高性能纤维是国家材料科学发展的重要制高点，是国家重要的战略性基础材料，其技术突破与产业化应用对于推动社会发展有重要价值，决不能走以买代研的路子，而是要敢于打破国外核心技术的垄断与封锁，坚定不移地走一条中国特色的自主创业和发展之路，不断提高自主创新的能力，有重点地突破碳纤维产业化发展制约“瓶颈”，提高国产化先进水平，缩小同发达国家的差距，在世界高性能纤维日新月异的新形势下尽快占有一席之地。

同时要借鉴国外先进经验，加强产学研用紧密结合，建立相关机制，把高性能纤维产业发展上升到国家战略高度，使我国碳纤维产业能够快速健康地发展。

参考文献：

1钱水林.碳纤维的应用及市场需求分析[J].石油化工技术与经济，2008，24

（1）：

26～29

2良友.聚丙烯腈基碳纤维的生产应用与市场分析[J].精细化工原料及中间体，2008，

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3陈达俊聚丙烯腈基碳纤维工厂设计实践[J].江苏纺织，2008，（8）：

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4刘卫.PAN基碳纤维发展刻不容缓[N].中国化工报，2002-09-03

5芦长椿.国际碳纤维产能持续增长及其市场现状[J].纺织导报，2009，（3）：

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6舒国忠.碳纤维加固技术在市政工程领域的应用[J].中国市政工程，2009，

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48～49

7罗益锋.世界高性能纤维的发展特点和新形势

（1）[J].高科技纤维与应用，2008，33（6）：

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8刘清玲，郑立群，程佳.世界PAN基碳纤维市场分析及发展建议[J].化工科技市场，2007，30（10）：

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【文献来源】