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CFRP材料
一、碳纤维的发展
3.1国外发展
以PAN碳纤维为例,该纤维国际上研发已有30年左右,目前世界碳纤维的生产能力在3.4~3.8万吨左右,主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国台湾省。
日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司(东丽、东邦以及三菱人造丝公司)依靠其先进的纺丝科学技术,形成了高性能原丝生产的优势,大量生产高性能碳纤维,使日本成为碳纤维大国,无论质量还是数量上都处于世界前三位,三大集团占据了世界75%以上的产量。
3.2国内发展
我国聚丙烯腈基碳纤维的研究开发始于20世纪60年代,当时由于碳纤维作为重要的军工产品,国外对我国进行严格技术封锁,使得当时我国聚丙烯腈基碳纤维基本上以自主研究开发为主。
1976年中科院山西煤化所建成第一条聚丙烯腈基碳纤维中试生产线,生产出高强I型碳纤维,其产品性能基本达到日本东丽公司的T200。
继而从“六五”开始试制高强Ⅱ型碳纤维(相当于T300),但到目前为止产品性能指标仍未达到T300标准。
吉林石化公司在采用硝酸一步法生产原丝的基础上,研究开发出性能基本接近T300的碳纤维,但该法对环境污染较大,因而现已放弃。
由于种种原因我国碳纤维发展缓慢,表现为生产规模小、产品质量不稳定、产品规格少、品种单一、没有高性能产品、技术设备落后,大多没有形成规模效益,这些成为制约我国碳纤维发展的瓶颈。
近些年来,随着我国整体实力的不断提升,对碳纤维的需求量也与日俱增,而我国碳纤维现阶段大部分依赖进口,2004年全国碳纤维用量为4000吨,国内实际产量仅为1O多吨,而且无论是质量还是规模与国外相比差距都很大。
另据估测2009年我国碳纤维需求将达到7500吨,这表明我国碳纤维严重供不应求。
尽管目前国际社会碳纤维的制造技术与产品对华出口有所松动,通用级碳纤维进口渠道已经开通,但高性能碳纤维对我国依然限制。
近年来,由于我国对碳纤维需求的日益增加,聚丙烯腈基碳纤维又成为国内新材料业研发的热点,如上海石化公司准备采用NaSCN一步法生产数千吨PAN基原丝。
上海星楼实业有限公司拟建立400吨/年大丝束碳纤维生产线,上海市合纤所采用亚砜两步法研制和小批量生产PAN基原丝以及碳纤维,上海碳素厂也有小型碳化线及碳纤维下游产品。
安徽华皖集团(原蚌埠灯芯绒集团公司)建立500吨/年PAN原丝和200吨/年碳纤维生产线,其PAN原丝采用亚砜一步法,技术由国外引进,产品以12K的T300级碳纤维为主,并准备引进成熟的预浸料生产线。
广西桂林市化纤总厂拟建200吨/年碳纤维生产线,产品为3-12K的小丝束碳纤维。
山东天泰碳纤维有限责任公司将建立400吨/年生产线,碳纤维性能为T300级水平,产品以12K为主。
青岛化工学院高分子工程材料研究所(恒晨公司)将建立50吨/年左右的碳纤维生产线。
江苏扬州与中国科学院山西煤炭研究所也计划合作建立高性能聚丙烯腈原丝和碳纤维的生产中试基地。
吉林石化公司放弃了以前采用硝酸一步法生产原丝的技术,与北京化工大学合作承担了国家“九五”科技攻关项目,共同研究开发二甲基亚砜法高性能聚丙烯腈原丝生产技术,并将充分依靠自己的技术建立500吨/年原丝和200吨/年碳纤维生产线。
兰化集团化纤厂已有100吨/年原丝生产线和预氧化生产装置,计划配套碳化装置生产碳纤维,原丝采用NaSCN一步法,该厂的腈纶生产线是我国从国外最早引进的,有丰富的生产经验和技术积累。
吉林碳素厂是我国小丝束碳纤维生产基地,已向用户提供50余吨小丝束碳纤维。
目前,该厂正在建立新的小丝束碳纤维生产线,扩大产量,以满足市场需求。
此外,山西榆次化纤厂是我国唯一用亚砜一步法生产PAN基原丝达数十年的单位,目前仍在生产。
大连兴科碳纤维有限公司已建成380吨/年生产线,是目前我国唯一实现碳纤维产业化的企业,位居大陆首位,并在世界排名第十一,据专家评价该公司实际拥有年产量800吨的生产能力,产品各项技术指标已经达到国外同类产品先进水平。
3.3存在问题和差距
一是国内PAN碳纤维总生产能力较小,实际生产量仅30~40吨/年,远远不能满足国内的需要(约5000~6000吨),目前我国95%的碳纤维依靠进口;二是与国际先进水平相比,国产碳纤维强度低(仅相当于东丽公司已基本决定淘汰的T300水平),均匀性、稳定性差(强度、模量、线密度的CV值均为国外产品的一倍以上),毛丝多(断头率为国外产品的6倍),品种单一且价格昂贵(为国外产品的1.5~3倍),发展水平总体落后发到国家近20~30年;三是厂家、装置规模小,技术设备落后,经济效益差。
四、产业分析
4.1世界碳纤维市场
4.1.1世界碳纤维扩产加速
2003年以前碳纤维基本供大于求,属于买方市场,当时工业用普通模量级12K碳纤维价格仅12美元/公斤,但到了2004年形势突变,碳纤维一下子由买方市场变为卖方市场,价格一路攀升,2005年翻了好几倍,2006年更是处于有价无市的情况,这给碳纤维厂家带来了难得的发展机遇。
从2004年开始全球碳纤维厂家兴起了一轮扩产热潮。
日本东丽集团公司
2004年4月陆续开始了一系列扩产项目,见表5。
2004年4月12日宣布日本Ehime扩产2200吨/年,2007年1月开始运转。
2004年4月14日宣布法国Soficar扩产800吨/年,2007年10月开始运转。
2004年4月26日宣布美国CFA扩产1800吨/年,2006年初开始生产。
2008年还将分别在日本和美国各扩产1800吨/年。
2008年东丽公司碳纤维产能将达到17500吨/年,差不多是2005的两倍。
计划到2010年,东丽公司全球碳纤维市场的占有率要从2004年的34%提高到40%。
2005年东丽还和波音公司协议,今后17年内东丽将提供29亿美元的碳纤维(主要是T700)给波音公司,用于B-787的生产。
表5:
东丽集团碳纤维扩产计划单位:
吨
地区
2004
2005
2006
2007
2008
日本(Ehime)
4700
4700
4700
4700+2200
6900
法国(Saficar)
2600
2600
2600
2600+800
3400+1800
美国(CFA)
1800
1800
1800+1800
3600
3600+1800
总计
9100
9100
10900
13900
17500
日本帝人东邦集团公司
东邦集团紧随其后,从2004年8月开始进行了一系列收购和扩产计划:
2004年8月31日宣布收购美国Fortfil全部3500吨/年大丝束碳纤维生产线,将其改造成700吨/年小丝束,1700吨/年预氧化纤维,保留1300吨/年大丝束碳纤维。
2006年4月15日东邦决定在日本Mishima投资大约1亿美元(10.7billionyen),扩大碳纤维生产能力2700吨/年,到2008年4月完成。
2008年东邦集团碳纤维产能11800吨/年,其中小丝束10500吨/年。
大丝束1300吨/年。
总产能仍居世界第二,见表6。
表6:
东邦集团碳纤维扩产计划
2004
2005
2006
2007
2008
日本
RT3700
RT3700
RT3700
RT3700
3700+2700
德国
RT1900
RT1900
RT1900+1500
RT3400
RT3400
美国
LT3500
RT700
RT700
RT700
RT700
LT1300
LT1300
LT1300
LT1300
总计
9100
7600
9100
9100
11800
RT5600
RT6300
RT7800
RT7800
RT10500
LT3500
LT1300
LT1300
LT1300
LT1300
日本三菱人造丝集团公司
日本三菱集团也加快了扩产步伐,从2005年到2007年,3年内碳纤维产能将增加72%,接近或赶上东邦的产能,见表7。
2005年4月,宣布增加日本生产线产能2200吨/年;2007~2008年完成。
2005年l0月,宣布三菱和SGL结成碳纤维联盟,三菱提供技术和原丝,在SGL苏格兰生产线生产碳纤维,2006年二季度开始生产,三菱的回报是500~700吨/年碳纤维。
2005年底计划完成美国Grafil扩产500吨/年的任务。
2008年三菱集团碳纤维产能将达到7900~81O0吨/年。
由于三菱碳纤维此前尚未取得适航认可,只能用于工业和体育休闲用品,公司努力争取2005年取得AirbusA380认可,使其碳纤维在宇航工业得到应用。
表7:
三菱集团碳纤维扩产计划
2004
2005
2006
2007
2008
日本
3200
3200
3200
3200+2200
5400
美国Grafil
1500
1500
1500+500
2000
2000
欧洲SGL
500~700
500~700
500~700
总计
4700
4700
5500~5700
7900~8100
7900~8100
此外,中国台湾台塑集团2005年5月24日宣布扩大碳纤维产能,从1850吨/年增加到2950吨/年,2006年12月完成。
美国Hexcel公司2005年11月16日宣布在西班牙马德里附近建碳纤维厂,另外美国犹塔工厂也增加碳纤维生产线,产能增加大约50%,即从2270吨/年增加到3300吨/年,2006~2007年完成。
目标很明确,针对A380、A350和B787对碳纤维的大量需求。
Zoltek公司2006年1月3日报告,希望碳纤维产能从2006年的4080吨/年增加到2007年8620吨/年。
从2004年l2月l6日开始和世界最大的风能厂家Vistas等协议,为他们提供风电叶片用大丝束碳纤维。
美国Cytec公司准备耗资超过l0亿美元建立新的碳纤维生产线,目前在选址和设计选择,计划2009年开始工作。
综上所述,从2005年到2008年全球PAN基碳纤维产能将从34050吨/年增加到61500吨/年,增长80.6%,平均年增长率20%,详见表8。
如此显著的增长速度,将会对供需矛盾产生影响。
表8:
世界PAN基碳纤维名义能力单位:
吨
2004
2005
2006
2007
2008
Toray
小丝束
9100
9100
10900
13900
17500
大丝束
300
300
300
300
300
TohoTenax
小丝束
5600
6300
7800
7800
10500
大丝束
3500
1300
1300
1300
1300
MRC
小丝束
4700
5200
5700
7800~8100
7900~8100
Hexcel
小丝束
2000
2000
2300
2800
3300
Cytee
小丝束
1800
1800
1800
1800
3800
中国台湾台塑
小丝束
1850
1850
1850
2950
29500
Zoltek
大丝束
2300
3300
6500
11100
11100
SGL
大丝束
1900
1900
1900
1900
1900
Technology
大丝束
1000
1000
1000
1000
1000
小计
小丝束
25050
26250
30350
37150
45900
大丝束
9000
7800
11000
15600
15600
总计
34050
34050
41350
52570
61500
增长百分数
0
21.40%
27%
16.60%
4.1.2碳纤维供需状况将趋于缓和
根据表9和图1、图2对碳纤维产能和需求的预测分析可以看出,2005年全球碳纤维供小于求,按ChrisRed的预测缺口约2000吨,Toray预测缺口近3000吨,中国台湾台塑预测缺口也有约1000吨,这就是2005年碳纤维紧张的说明。
2006年虽然碳纤维厂家纷纷扩产,其供应量应较需求量大,但是扩产部分要到2006年底或2007年初才能上市供应,且超过部分有限,仍不能满足用户要求。
因此2006年碳纤维供应仍然紧张。
2007年以后全球碳纤维产量将明显增加,扩量部分陆续上市,供应量显著超过需求量,供需矛盾得到缓解,紧张状况将会所改变。
表9:
世界PAN基碳纤维的供需预测单位:
吨
年代
世界碳纤维产能预测(供)
世界碳纤维需求预测
名义产能
实际产能
ChrisRed预测
东丽预测
东邦预测
1按75%名义能力
2按65%名义产能
需求
按实际产能1供需差额
按实际产能2供需差额
2004
34050
25538
22133
21900
3637
232
22000
2005
34050
25538
22133
24076
1461
-1944
25000
20820
2006
41350
31013
26878
26502
4510
375
24050
2007
52750
39563
34288
29207
10355
5080
30000
26780
2008
61500
46125
39975
32224
13901
7751
34000
30390
2009
34510
2010
37750
图1:
ChrisRed对世界碳纤维的供应与需求分析
图2:
中国台湾台塑对世界碳纤维的供应和需求分析
4.2中国碳纤维市场
(1)需求增长快。
我国碳纤维现阶段绝大部分依赖进口,2004年全国碳纤维用量为4000吨,2005年用量约5000吨,年增长率在20%以上,到2009年将达到7500吨/年,而国内现有产量仅约40吨左右,无论质量和规模与国外相比差距都很大。
(2)产能瓶颈明显。
我国除了华皖碳纤维及少数科研院所具有完整的产业链外,绝大部分企业仅仅具有部分碳纤维及其制品的生产工艺。
安徽华皖碳纤维有限公司目前已经顺利完成200吨碳纤维及500吨碳纤维原丝的生产装置的安装,2007年还计划开工建设800吨碳纤维及1800吨碳纤维原丝二期项目。
(3)生产效益大。
如果按丙烯腈1.3万元/吨的销售价格计算,大体可以测算出碳纤维原丝及碳纤维的生产成本,分别为4.4万元/吨、18万元/吨。
一般情况下,军工级碳纤维(3~6K)的售价在200万元/吨左右,民用碳纤维(12K)售价为55万元/吨,可见碳纤维的盈利空间还是非常可观的。
五、发展对策和措施
近年来,中国复合材料产业有了很大的进步,已成为碳纤维复合材料应用大国。
但是我国大陆碳纤维长期依赖进口,受治于人,面对当前严峻的形势,必须采取行之有效的措施。
(1)坚持自主创新是发展我国碳纤维的唯一出路。
碳纤维是军需战略物资,是国防建设、先进武器不可或缺的关键材料,不可能也不应该长期依赖进口。
15年前美国国防部就下决心民用碳纤维可以从国外进口,国防工业所需的碳纤维必须国内自行生产。
中国更不能长期从国外进口国防工业所需要的碳纤维。
德国、法国虽然也生产碳纤维,但是碳纤维的核心原丝技术牢牢掌握在日本人手中,至今德国和法国得不到PAN原丝技术。
因此中国不可能引进国外先进的碳纤维制造技术,只能自力更生,依靠自己,别无出路。
(2)坚持应用中改进提高是碳纤维发展的科学规律。
(3)产、研、用密切配合是提高国产碳纤维性能的有效途径。
(4)采取替代材料、混杂技术等措施渡过难关。
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