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淺談高性能纖維及復合材料
文章來源:未知     點擊數: 次     更新時間:2019-07-10 15:33

 高性能纖維及復合材料

 

高性能纖維是指具有特殊的物理化學結構、性能和用途,或具有特殊功能的化學纖維,一般具有極高的抗拉強度、楊氏模量,同時具有耐高溫、耐輻射、抗燃、耐高壓、耐酸、耐堿、耐氧化劑腐蝕等其他特性,被廣泛應用于航空航天、國防軍工、交通運輸、工業工程、土工建筑、乃至生物醫藥和電子產業等領域。高性能纖維復合材料是以高性能纖維作為增強材料,樹脂作為基體,通過加工成型得到的復合材料,具有質輕、高強高模、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性強、易加工成型等優異性能。全球高性能纖維及復合材料正朝著制造技術先進化、低成本化、材料高性能化、多功能化和應用擴大化的方向發展。從應用技術和產業成熟度來說,目前高性能纖維以碳纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維最為強勢,且隨著下游復合材料成型制件技術的提升,市場推廣度和需求量正在不斷增加且呈現加速擴張的趨勢。

 

目前,高性能纖維及復合材料的全球產業以日本、美國、歐盟為優勢主體。其中日本在碳纖維領域擁有絕對優勢,東麗、帝人以及三菱麗陽(現三菱化學)貢獻了全球碳纖維產能的一半;美國則擁有在芳綸產業的制霸企業杜邦公司,壟斷高端產品技術的同時還能對低端產品形成價格控制;歐洲則在超高分子量聚乙烯纖維領域擁有處于優勢地位的荷蘭帝斯曼公司,到目前為止仍然是全球超高分子量聚乙烯纖維的最主要供應商,產能倍超其他優勢企業。

 

1.碳纖維及復合材料

 

碳纖維是含碳量高于95% 的無機高分子纖維,具有低密度、高強度、耐高溫、高化學穩定性、抗疲勞、耐磨擦等優異的基本物理及化學性能,并有高振動衰減性、良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性能以及較低的熱膨脹系數等。以高模量碳纖維作為增強材料的先進碳纖維復合材料具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞和熱膨脹系數小等一系列的優異性能。

 

按照工業化生產路線原料,碳纖維主要可以分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類,其中以PAN 基碳纖維為主流,占全球碳纖維總產量的90% 以上。若按照生產技術路線和產品規格來分,碳纖維通常被分為小絲束(<24k)碳纖維和大絲束(>48K)碳纖維,分別針對不同的應用領域。碳纖維增強復合材料(CFRP)簡稱碳纖維復合材料,是以碳纖維或碳纖維織物為增強體,以樹脂、陶瓷、水泥、橡膠等為基體所形成的復合材料,具有較高的比強度及比剛性,輕量化效果十分明顯;主要包括碳纖維/ 樹脂基復合材料、碳纖維/ 陶瓷基復合材料、碳纖維/ 碳基復合材料、碳纖維/ 金屬基復合材料等不同種類,其中碳纖維增強樹脂基復合材料目前在市場上應用范圍最廣,發展前景廣闊。碳纖維及其復合材料優異的性能使其被廣泛應用于航空航天、軌道交通、車輛制造、武器裝備、工程機械、基礎設施建設、海洋工程、石油工程、風力能源、體育用品等領域。

 

目前全球最大的碳纖維及復合材料供應商主要集中在日本,無論質量還是數量均處于世界領先地位,尤其以日本東麗公司為代表,是目前世界上首屈一指的碳纖維生產供應商,除了產能占絕對優勢(年產幾萬噸),在航空航天高端碳纖維(強度5GPa以上)領域也幾乎呈技術壟斷地位,所生產的高強度碳纖維T1000、T1100 產品以及高模量碳纖維M60J、M70J 則代表著目前碳纖維產業的最高水品。美國是繼日本之后掌握碳纖維生產技術的少數幾個發達國家之一,是碳纖維材料以及碳纖維復合材料的應用大國,在生產方面更加注重產能的提升和成本的降低,是PAN 基大絲束碳纖維技術的主導國家。碳纖維材料在歐洲的起步發展緊隨日美,目前德國西格里(SGL)是較為強勢的供應商,歐洲對輕量化材料、可持續材料的旺盛需求也促使了各大跨國集團在歐洲設立生產基地,占據了很大一部分的產能比例。亞太其他地區及大中華地區的碳纖維企業經過十幾年的發展,雖然仍然不能對傳統巨頭帶來撼動,但是以中國為代表的碳纖維產業新增力量一直備受行業的關注。

 

在國務院發布的《中國制造2025》中,碳纖維被列為關鍵戰略材料之一,發展規劃目標為:2020 年國產高強碳纖維及其復合材料技術成熟度達到9 級,實現在汽車、高技術輪船等領域的規模應用;2025 年,國產高強中模、高模高強碳纖維及其復合材料技術成熟度達到9 級;力爭在2025 年前,結合國產大飛機的研發進程,航空用碳纖維復合材料部分關鍵部件取得CAAC/FAA/EASA 等適航認證。在政策促進下,我國近年來涌現了大批量的碳纖維生產企業,總理論產能超過20000 噸。據行業數據估算,2016 年我國碳纖維實際產量約為4500 噸,2015 年約為3840 噸,增幅較大。

 

在最近一年內,我國各大碳纖維企業陸續在碳纖維及復合材料相關技術和產能方面取得突破。2017 年1 月,江蘇恒神公司的國內首創、高寬數米、長度近二十米的下一代碳纖維復合材料車體即將完成鋪縫固化工序,成型出廠,這表明恒神公司已經進入了碳纖維技術和成果的收獲期。9 月,中復神鷹“千噸級SYT55(T800)碳纖維新線項目”正式投產,標志著中復神鷹進入一個新的時代,繼續引領國內行業發展,在世界碳纖維領域邁出戰略性的關鍵一步。該項目于2017 年2 月22 日開工建設,8 月28 日建成并進行試生產,總投資近1 億元,是繼去年5 月份成功投產并連續穩定運行的千噸級T800 原絲生產線,以及在現有的百噸級T800 碳纖維生產線基礎上,技術提升并邁出新的一步。12 月,吉林化纖集團1.2萬噸大絲束碳纖維碳化項目一期2000 噸生產線試車成功,該項目是由吉林化纖集團與浙江精功集團有限公司共同出資、合作建設,它的建成投產,填補我國大絲束碳纖維生產的空白。同時依托吉林化纖碳谷公司優質的碳纖維原絲,將實現上下游產業鏈集合,促進國內碳纖維產業以及新材料領域的發展。2018 年,該項目將增開第二條生產線,進一步優化技術,降低成本,實現利潤收入。

 

目前我國高性能碳纖維材料產業發展勢頭迅猛,針對市場主要為航空航天領域,同時著力瞄準勃發的新能源市場,包括風力發電、壓力容器(儲氫罐),以及潛在的新型汽車輕量化材料市場。但我國的碳纖維材料產品大多仍處在試運行、少量裝機等階段,與下游產業的合作仍需加強。應用端開發不充分也導致了大量碳纖維生產企業產能虛高,企業運營壓力較大。隨著碳纖維的民用化、低成本化發展,以及下游復合材料成型技術的不斷提升,碳纖維生產企業在未來需進一步加強與應用端產業的產研聯動,抓住市場機遇,為國產碳纖維產業找尋突破。

 

芳綸纖維及復合材料

 

芳綸全稱為“芳香族聚酰胺纖維”,是一種高科技特種纖維,它具有優異的力學性能和穩定的化學性能。芳綸主要分為間位芳綸和對位芳綸兩大類。間位芳綸具有長久的熱穩定性、本質阻燃性、優良的電絕緣性,以及優異的耐腐蝕、耐輻射等特性,主要被應用于電絕緣服、高溫防護服、高溫傳送帶、高溫過濾等領域。對位芳綸具有高強度、高模量、高耐熱性,以及良好的抗沖擊、耐腐蝕和抗疲勞性能,憑借上述特點,對位芳綸還經常被稱作“防彈纖維”,并被廣泛應用于國防軍工、航空航天、個體防護及體育休閑等領域。

 

從總體來看,杜邦和帝人在全球芳綸纖維市場占據主導地位。根據水清木華研究中心(ResearchInChina)的調查數據顯示,僅杜邦與帝人兩家企業就占據了全球70% 以上的市場份額。杜邦無論是在間位芳綸還是對位芳綸領域,都是國外芳綸企業中的佼佼者。美國杜邦是最早成功研制間位芳綸的企業,并于1967 年實現了間位芳綸Nomex® 的商業化生產。同時,杜邦還是對位芳綸的發明者和最重要的生產商,1972 年便實現了對位芳綸Kevlar® 的產業化。在芳綸發展的后續幾十年中,杜邦依然保持著其領先地位,無論從技術水平還是產能方面,都較其他企業有著絕對優勢。

 

日本帝人作為緊隨杜邦之后的芳綸纖維巨頭,在最近一年中動作頻頻。2016年12 月,帝人宣布重組聚酯纖維和芳綸纖維事業,公司原來的高功能纖維事業本部將主攻芳綸纖維相關事業。2017 年7 月,帝人芳綸宣布擴大其Twaron 芳綸纖維的產能。10 月,帝人芳綸宣布位于日本松山的一條全新的Technora 生產線已經建成投產。同時,其位于荷蘭埃門的Twaron 工廠新投資的產能于2019 年第一季度建成投產。12 月20 日,帝人芳綸又宣布計劃將Twaron 超級纖維產能提高25% 以上,這一額外的產能將在未來五年內完成。帝人的這一系列戰略及產業舉措都揭示了其穩定地位、擴大優勢的決心。

 

與眾多國外巨頭企業相比,我國芳綸纖維發展起步較晚,無論是技術水平還是規模化生產均處于落后階段。但是在政府政策大力支持和國內企業飛速發展的共同努力下,我國芳綸纖維產業已取得了快速發展。據水清木華研究中心的統計數據顯示,2016 年我國芳綸纖維產量約為1.4 萬噸(全球占比12.5%),同比增長8.3%;2011-2016 年的年均復合增長率為10.4%。2017-2021 年,受國家政策的持續推動,芳綸市場將繼續保持10.0% 左右的增長速度。

 

我國目前已出現多家產能達到千噸以上的芳綸廠商,其中煙臺泰和新材料股份有限公司的間位芳綸生產能力達到5600 噸/ 年,成為僅次于美國杜邦成為全球第二大間位芳綸生產和供應商,且具備同時生產間位芳綸和對位芳綸的能力。此外,超美斯新材料股份有限公司、廣東彩艷股份有限公司、河北硅谷化工有限公司、中藍晨光化工研究設計院有限公司、中國石化儀征化纖有限責任公司、河南神馬尼龍化工有限責任公司、蘇州兆達特纖科技有限公司等企業也為我國的芳綸纖維發展做出了很多貢獻。2017 年煙臺泰和新材料在芳綸纖維的應用和研發上都取得了一定成績。

 

小結

 

國際高性能纖維及復合材料市場正在迎來空前的發展期,我國已經在關鍵技術、裝備、產業化生產以及下游應用領域取得了重大進展,未來我國會繼續通過高性能纖維及復合材料等關鍵材料和技術的自主研發、產業上的聯動突破,逐步實現從根本上擺脫高性能纖維受到的限制,實現進口替代,形成產業優勢。針對我國高性能纖維及復合材料的產業現狀,以下為若干未來發展措施建議:

 

持續加大技術創新,不斷突破關鍵技術

 

高性能纖維及復合材料生產過程中的關鍵技術控制節點較多,需要從原料、設備、關鍵工藝等多個角度進行全方位的瓶頸突破,以保證產品的穩定性和系列化。尤其在高性能纖維高端應用領域的關鍵制備技術、低成本化制備技術、關鍵制備設備等重要環節,需要持續加強技術研發與自主知識產權體系的建立。應該形成以企業為主體,聯合高校、科研院所、政府平臺的共同創新體系,充分利用互補資源,同時加強對外交流與技術引進,全面促進我國高性能纖維技術的快速發展。

 

積極加強宏觀引導,推動產業協調發展

 

我國高性能纖維及復合材料生產企業的理論產值虛高,開工率普遍較低,針對實際需求的產品有效供應仍然不足,在很大程度上依然依賴進口。這里既有產品性能穩定性的原因,同時也有產業發展定位的問題,造成了低端產品集中過量、高端產品難以滿足需求的局面。這就需要針對高性能纖維及復合材料產業進行宏觀的產業發展規劃和有針對性的引導,避免產業扎堆和惡意競爭,著重布局缺口產業。此外,我國高性能纖維的下游產業應用同上游生產環節存在著供需關系不平衡、合作聯系不緊密的現象;同時,國內高性能纖維的下游應用市場仍然沒有被充分打開與挖掘。對此,上游企業未來應更多地關注與下游產業的溝通,進行更有應用針對性的產品開發,同時與下游產業協同挖掘高性能纖維的新應用、新市場,在滿足國家需要和民生發展需求的同時,實現自身的持續發展。

 

推動行業標準建設,積極培育骨干企業

 

我國高性能纖維及復合材料產業目前對產品質量的規范性工作仍待加強,尤其在高端產品領域,存在著企業實際產品性能不合乎理想值、質量不穩定的情況,對高性能纖維及復合材料的應用推廣帶來嚴重影響。相關行業標準和應用領域設計要求對高性能纖維產業發展具有積極的促進作用,我國可以根據自身的實際情況,同時借鑒國外高性能纖維產品的性能特征,建立我國高性能纖維產業的技術標準和行業規范。通過規范的建立,也可以促進行業內部的良性競爭,幫助確立行業標桿,擴大我國在國際高性能纖維及復合材料領域的產業影響力。

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