碳纖維研究進展[特選材料]

碳纖維及其復合材料碳纖維及其復合材料主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀2 碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀3 下游產(chǎn)品的開發(fā)建議下游產(chǎn)品的開發(fā)建議4碳纖維及其復合材料簡介碳纖維及其復合材料簡介12一、碳纖維及其復合材料簡介一、碳纖維及其復合材料簡介 碳纖維特點：碳纖維特點：v高比強度、高比模量高比強度、高比模量v耐高溫，使用溫度耐高溫，使用溫度2000，在，在3000 非氧化氣氛中不融不軟非氧化氣氛中不融不軟v耐強酸、強堿及強有機溶劑的浸蝕耐強酸、強堿及強有機溶劑的浸蝕v熱膨脹系數(shù)小，約等于零熱膨脹系數(shù)小，約等于零v熱導率高，約為熱導率高，約為10140W/(m.K)v摩擦系數(shù)小，有自潤滑作用摩擦系數(shù)小，有自潤滑作用v導電性好導電性好v密度小密度小3 按原料分按原料分 v黏膠基碳纖維黏膠基碳纖維(Rayon基基CF)v聚丙烯腈基碳纖維聚丙烯腈基碳纖維(PAN基基CF)v瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維(Pitch 基基CF)4PANCF生產(chǎn)工藝過程生產(chǎn)工藝過程原絲原絲5PANCF生產(chǎn)工藝過程生產(chǎn)工藝過程碳絲碳絲6先進復合材料（先進復合材料（ACM）主要指有較高強度和模量的碳主要指有較高強度和模量的碳纖維、芳綸纖維等纖維與高性能的基體組成的復合材纖維、芳綸纖維等纖維與高性能的基體組成的復合材料。復合材料根據(jù)基體可分為料。復合材料根據(jù)基體可分為樹脂基、金屬基、陶瓷樹脂基、金屬基、陶瓷基基復合材料等。復合材料等。碳纖維復合材料具有碳纖維復合材料具有輕而強，剛而薄輕而強，剛而薄的特點。的特點。成型方法有：手糊法，纏繞法，拉擠法，注射法，真成型方法有：手糊法，纏繞法，拉擠法，注射法，真空帶囊熱壓法等。空帶囊熱壓法等。7二、國際碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀二、國際碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀日本是碳纖維的最大制造國，日本東麗公司、東邦公司、三菱公司生產(chǎn)的PAN基碳纖維占全球產(chǎn)量的70%左右。8發(fā)發(fā) 展展 歷歷 程程近近年年來來重重大大突突破破9發(fā)發(fā) 展展 歷歷 程程強度強度7.02GPa模量模量296GPa強度強度5.51GPa模量模量296GPa強度強度4.92GPa模量模量231GPaT1000T800HT700ST300強度強度3.54GPa模量模量231GPa10國際碳纖維需求量國際碳纖維需求量11 科技部科技部863碳纖維專項攻關碳纖維專項攻關 國家級碳纖維項國家級碳纖維項目目T-300T-300級碳纖維及原絲中試穩(wěn)定化研究級碳纖維及原絲中試穩(wěn)定化研究T-300T-300級碳纖維及原絲百噸級建設級碳纖維及原絲百噸級建設T-700T-700碳纖維及原絲關鍵技術的研究碳纖維及原絲關鍵技術的研究 973國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目計劃國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目計劃 高性能碳纖維用聚丙烯腈原絲的結(jié)構優(yōu)化及控制高性能碳纖維用聚丙烯腈原絲的結(jié)構優(yōu)化及控制12碳纖維出路何在？碳纖維出路何在？成本因素成本因素國內(nèi)競爭國內(nèi)競爭國外國外市場沖擊市場沖擊1、發(fā)展高端產(chǎn)品，引領行業(yè)、發(fā)展高端產(chǎn)品，引領行業(yè)2、開發(fā)下游產(chǎn)品，搶占先機、開發(fā)下游產(chǎn)品，搶占先機 供求關系供求關系三、碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀三、碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀13航空航空航天航天導彈、雷達、戰(zhàn)斗機導彈、雷達、戰(zhàn)斗機 高端產(chǎn)品高端產(chǎn)品高端產(chǎn)品高端產(chǎn)品高高 端端 產(chǎn)產(chǎn) 品品141 新型建材新型建材2汽車工業(yè)汽車工業(yè)3 能源能源4 飛機飛機支柱產(chǎn)業(yè)中的廣泛應用支柱產(chǎn)業(yè)中的廣泛應用15新新 型型 建建 材材碳纖維作為新型建材，主要用于建筑補強。碳纖維作為新型建材，主要用于建筑補強。碳纖維碳纖維復合材復合材料料16 汽汽 車車 工工 業(yè)業(yè)碳纖維復合材料可做翼子板、車頂板、底盤、行李箱碳纖維復合材料可做翼子板、車頂板、底盤、行李箱板、門內(nèi)板、輪轂、引擎罩、避震彈簧、傳動軸結(jié)構板、門內(nèi)板、輪轂、引擎罩、避震彈簧、傳動軸結(jié)構加強和耐熱件等加強和耐熱件等 17安裝在汽車上的碳纖維儲氣瓶安裝在汽車上的碳纖維儲氣瓶18能能 源源(一一)大型風力發(fā)電機葉片優(yōu)點如下：大型風力發(fā)電機葉片優(yōu)點如下：1.1.比重小，抗疲勞，機械強度好，壽命長。比重小，抗疲勞，機械強度好，壽命長。2.2.成本低，僅為總機成本的成本低，僅為總機成本的1/31/3。3.3.耐腐蝕、紫外線照射和雷擊性能好。耐腐蝕、紫外線照射和雷擊性能好。4.4.容易維護，費用低。容易維護，費用低。(二二)燃料電池和太陽能電池燃料電池和太陽能電池 1.1.導電性好，熱膨脹系數(shù)小導電性好，熱膨脹系數(shù)小 2.2.高比強度，高比模量，耐熱高比強度，高比模量，耐熱19飛飛 機機v二次結(jié)構件二次結(jié)構件 輔翼輔翼 方向舵方向舵 升降舵升降舵v一次結(jié)構件一次結(jié)構件 主翼主翼 尾翼尾翼 機體機體2003年年2005年年2010年年2109801650民用客機CF需要量（單位噸/年）20飛飛 機機21碳纖維在體育器材方面的應用碳纖維在體育器材方面的應用22類類 別別應用領域應用領域成熟市場成熟市場航空、航天及國防領域：飛機、衛(wèi)星、火箭、導航空、航天及國防領域：飛機、衛(wèi)星、火箭、導 彈、雷達等；彈、雷達等；體育休閑品：高爾夫球、漁具、網(wǎng)球拍、羽毛球拍體育休閑品：高爾夫球、漁具、網(wǎng)球拍、羽毛球拍 箭桿、自行車、賽艇等。箭桿、自行車、賽艇等。新興市場新興市場碳纖維基增強工程塑料、碳纖維基增強工程塑料、壓力容器壓力容器、建筑補強建筑補強、風風力發(fā)電葉片力發(fā)電葉片、摩擦材料、深海油田的鉆井平臺等摩擦材料、深海油田的鉆井平臺等待開發(fā)市場待開發(fā)市場汽車零部件汽車零部件、飛機承力部件飛機承力部件、醫(yī)療器械等四、下游產(chǎn)品的開發(fā)建議四、下游產(chǎn)品的開發(fā)建議原絲的售價是原絲的售價是4040元元5050元元/公斤，碳纖維為公斤，碳纖維為200200元元/公斤，公斤，預浸料為預浸料為500500元元/公斤，每一級的深加工都有高幅度的增值。公斤，每一級的深加工都有高幅度的增值。231.CF天然氣鋼瓶經(jīng)濟效益天然氣鋼瓶經(jīng)濟效益按各省均建一個按各省均建一個5萬只萬只/年規(guī)模的年規(guī)模的CNG儲氣瓶廠計算儲氣瓶廠計算vCF用量用量 2萬噸萬噸/年年 70億元億元/年年v儲氣瓶儲氣瓶 140億元億元/年年 CNG容器材料比較容器材料比較材料材料容積容積/L/L質(zhì)量質(zhì)量/Kg/Kg價格價格/美元美元鋼鋼7676117117400400鋁襯里鋁襯里/GFRP74747070800800塑料襯里塑料襯里/GFRP70705050400400塑料襯里塑料襯里/CFRP70702020600600作為作為CNG儲氣瓶，壓力高達儲氣瓶，壓力高達20MPa，使用壽命達，使用壽命達15年。年。1.1.壓壓 力力 容容 器器24v汽車用壓縮天然氣瓶（汽車用壓縮天然氣瓶（CNGCNG）環(huán)保天然氣替代柴油可以消除汽車尾氣中的環(huán)保天然氣替代柴油可以消除汽車尾氣中的NONOX X、SOSOX X等致癌物質(zhì)，少排等致癌物質(zhì)，少排放放26%26%的的COCO2 2。減重比鋼瓶輕。減重比鋼瓶輕4 4倍以上。倍以上。v另外，消防、潛水用的便攜式另外，消防、潛水用的便攜式空氣罐空氣罐及化工行業(yè)的及化工行業(yè)的槽罐車槽罐車也使用碳纖也使用碳纖維復合材料。維復合材料。1.1.壓壓 力力 容容 器器252.CF 風力發(fā)電機經(jīng)濟效益風力發(fā)電機經(jīng)濟效益v到到“十一五十一五”期末，全國風能實際總裝機容量將達到期末，全國風能實際總裝機容量將達到10-12GW，到，到 2020年全國將達到年全國將達到20GW的風電裝機容量。因此，中國是風力發(fā)電的風電裝機容量。因此，中國是風力發(fā)電碳纖維復合材料葉片的巨大市場。碳纖維復合材料葉片的巨大市場。v2005年年2月制定的月制定的可再生能源法可再生能源法做出了做出了 2010年風能不少于年風能不少于400萬萬千瓦的規(guī)劃，千瓦的規(guī)劃，預計到預計到2010年末，葉片國內(nèi)市場總量可達約年末，葉片國內(nèi)市場總量可達約60億億元人民幣。元人民幣。2.2.風風 力力 發(fā)發(fā) 電電26v葉片是風力發(fā)電機的核心部件，造價約占整個設備的葉片是風力發(fā)電機的核心部件，造價約占整個設備的1/41/4到到1/31/3。每個葉片大約需要碳纖維。每個葉片大約需要碳纖維1.5-2.01.5-2.0噸噸，我國，我國20202020年年30003000萬千瓦萬千瓦的風電規(guī)劃的實現(xiàn)，需要大量的風機葉片，是碳纖維行業(yè)一個的風電規(guī)劃的實現(xiàn)，需要大量的風機葉片，是碳纖維行業(yè)一個潛在的巨大市場。潛在的巨大市場。v按西北按西北5 5省每年各產(chǎn)省每年各產(chǎn)1010臺計臺計 CF CF用量用量 68006800噸噸/年年 23.823.8億元億元/年年 風力發(fā)電機風力發(fā)電機 100100億元億元/年年2.2.風風 力力 發(fā)發(fā) 電電273.新型汽車新型汽車(1)電動汽車電動汽車 電動汽車要延長電池的使用時間，減少充電次數(shù)，必須讓汽車輕量電動汽車要延長電池的使用時間，減少充電次數(shù)，必須讓汽車輕量 化。碳纖維復材高強、質(zhì)輕等特點，完全能滿足要求。建議與電動汽化。碳纖維復材高強、質(zhì)輕等特點，完全能滿足要求。建議與電動汽 車廠商合作開發(fā)。車廠商合作開發(fā)。(2)高級跑車高級跑車 部分高級跑車、高級轎車和特種車輛對速度和安全的追求，碳纖維復部分高級跑車、高級轎車和特種車輛對速度和安全的追求，碳纖維復 材的用量將達到車身材的用量將達到車身50%以上以上，市場潛力巨大。，市場潛力巨大。3.3.汽汽 車車 工工 業(yè)業(yè)28(3)近年來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速，從近年來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速，從20002000年到年到20102010年全國汽年全國汽 車保有量將增加車保有量將增加1 1倍。碳纖維復合材料作為一種先進的輕質(zhì)高倍。碳纖維復合材料作為一種先進的輕質(zhì)高 強材料，正好迎合了未來汽車輕量化發(fā)展方向的要求。強材料，正好迎合了未來汽車輕量化發(fā)展方向的要求。中國汽車的需求和預測中國汽車的需求和預測 單位：萬輛單位：萬輛年份年份汽車產(chǎn)量汽車產(chǎn)量客、貨車產(chǎn)量客、貨車產(chǎn)量汽車保有量汽車保有量19905146.7551199514611411452000208.8148.31608.92001233.44163.09167120053202102400201045023033003.3.汽汽 車車 工工 業(yè)業(yè)29 4.4.飛飛 機機vA380客機使用復合材料達客機使用復合材料達25-30t/架，其中架，其中85%是碳纖維增強復合材料是碳纖維增強復合材料(CFRP)，A350飛機中占總質(zhì)量飛機中占總質(zhì)量52%的結(jié)構組件采用復合材料來制造，主的結(jié)構組件采用復合材料來制造，主要是碳纖維增強塑料材料。要是碳纖維增強塑料材料。v2005年底波音和空客交付飛機年底波音和空客交付飛機620架，復合材料用量約架，復合材料用量約1700 t，CFRP約約1020 t。據(jù)悉，波音公司近十年將有。據(jù)悉，波音公司近十年將有10000架次的市場，未來架次的市場，未來20年全球?qū)⒛耆驅(qū)⑿枰枰?5000架大型飛機，總價值約架大型飛機，總價值約2萬億美元。萬億美元。v目前我國高端碳纖維目前我國高端碳纖維(T800)和碳纖維復合材料部件一體化成型技術相對落和碳纖維復合材料部件一體化成型技術相對落后，難以制造大尺寸部件。因此，這些材料只用在我國飛機非承力和次承后，難以制造大尺寸部件。因此，這些材料只用在我國飛機非承力和次承力部位，在飛機的主要承力部位應用甚少力部位，在飛機的主要承力部位應用甚少。30復合材料在空客A380飛機上的應用31復合材料在空客A350飛機上的應用32