高性能纖維材料

　高性能纖維是指對外界的物理和化學(xué)作用具有特殊耐受能力的一種材料，被稱為第三代合成纖維；其在海洋開發(fā)、情報(bào)信息和軍事裝備等國防軍事和工業(yè)領(lǐng)域起著不可替代的作用，是體現(xiàn)一個國家綜合實(shí)力與技術(shù)創(chuàng)新的標(biāo)志之一。

　　1、高性能纖維：強(qiáng)國強(qiáng)軍的戰(zhàn)略材料

　　1.1、高性能纖維的定義：具備特殊耐受力的一類材料 123456

　　高性能纖維，是指對外部的力、熱、光、電等物理作用和酸、堿、氧化劑等化學(xué)作用具有特殊耐受能力的一種材料。包括高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、阻燃、抗電子束輻射、抗射線輻射、耐酸、耐堿、耐腐蝕等的纖維。

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　　被稱為第三代合成纖維。這類纖維由于具有比普通纖維更高的機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量，更好的熱穩(wěn)定性、耐酸堿性及耐候性。是20世紀(jì)60年代初發(fā)展以來，高分子纖維材料領(lǐng)域發(fā)展迅速的一類特種纖維。它被稱為繼第一代錦綸、滌綸和腈綸及第二代改性纖維(包括差別化纖維)之后的第三代合成纖維。 123456

　　1.2、高性能纖維類別繁多

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　　高性能纖維按化學(xué)組成可分為有機(jī)和無機(jī)高性能纖維兩大類。 123,123

　　有機(jī)高性能纖維是由有機(jī)聚合物制成的高性能纖維或利用天然聚合物經(jīng)化學(xué)處理而制成的高性能纖維，按其大分子剛?cè)嵝钥煞譃閯傂枣溇酆衔锢w維和柔性鏈聚合物纖維。其中，剛性鏈聚合物纖維由芳香族大分子構(gòu)成，大分子柔軟度較差，包括芳綸、聚四氟乙烯等；而柔性鏈聚合物纖維大分子不包含芳香環(huán)，柔性度較好，包括超高分子量聚乙烯纖維、超高分子量聚乙烯醇纖維、超高分子量聚丙烯腈纖維等。無機(jī)高性能纖維一般以礦物質(zhì)或金屬為原料制成。它同樣具有不同的分子構(gòu)象或結(jié)構(gòu)，如無定形纖維、多晶纖維和單晶纖維等。主要品種有碳纖維、玻璃纖維、石英玻璃纖維、硼纖維、陶瓷纖維、金屬纖維等，此外尚有石棉纖維、礦渣棉、高硅氧纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維等其他無機(jī)纖維。

　　1.3、應(yīng)用集中于工業(yè)，其中高強(qiáng)度高模量纖維發(fā)展最快

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　　高性能纖維在國防軍事和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。尤其是在有特殊要求的工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域，比如宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、情報(bào)信息、能源交通、土木建筑、軍事裝備、化工和機(jī)械等諸多方面，高性能纖維起著不可缺少的作用。

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　　有機(jī)高性能纖維中的高模量高強(qiáng)度纖維每年以兩位數(shù)速率增長。有機(jī)高性能纖維可分為4大類近40種，分別為高強(qiáng)高模纖維、耐熱纖維、抗燃纖維及耐腐蝕纖維。目前，已經(jīng)商品化的高性能有機(jī)纖維當(dāng)屬高強(qiáng)高模纖維增長最快，主要品種的需求量均以2位數(shù)增長，耐熱纖維次之，主要品種以5%-10%的年增長率發(fā)展，抗燃纖維和耐強(qiáng)腐蝕性纖維相對增長緩慢，但又不可缺。 123456

　　體現(xiàn)國家綜合實(shí)力與技術(shù)創(chuàng)新的標(biāo)志之一。高性能纖維在國內(nèi)外已作為技術(shù)創(chuàng)新、占領(lǐng)技術(shù)優(yōu)勢的重要戰(zhàn)略物質(zhì)，在國防、軍工、航空、航天、能源、交通等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。高性能纖維生產(chǎn)技術(shù)與裝備水平是體現(xiàn)國家綜合實(shí)力與技術(shù)創(chuàng)新的標(biāo)志之一。 本文來自123

　　1.4、三種主要高性能纖維：各顯其能，各居其功

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　　碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維被稱為當(dāng)今世界的三大高性能纖維。在品種繁多的各種高性能纖維中，碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維備受世界關(guān)注，是各國的重點(diǎn)發(fā)展對象。它們的共同點(diǎn)是不僅都具有高強(qiáng)度高模量的力學(xué)性能，更是具備耐腐蝕和阻燃耐熱等特殊性能，在國防軍事、航天航空和工業(yè)能源等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。這三大高性能纖維由于某些性能上的差異，被應(yīng)用在各個不同領(lǐng)域，發(fā)揮著各自無可取代的特長。 copyright 123456

　　1.5、高性能纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求迫切

　　我國傳統(tǒng)化纖產(chǎn)能過剩，但對位紡綸、碳纖維和超高分子量聚乙烯等高性能纖維卻仍需大量進(jìn)口。其中對位紡綸進(jìn)口依存度超過95%，碳纖維進(jìn)口依存度約70%。超高分子量聚乙烯進(jìn)口依存度也接近40%。未來我國高性能纖維市場存在巨大替代進(jìn)口的空間。 123,123

　　強(qiáng)國強(qiáng)軍的戰(zhàn)略物資。在軍事裝備現(xiàn)代化、民用產(chǎn)品高性能化、生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)進(jìn)步高速化發(fā)展的今天，高性能纖維，以及高性能纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料已在各領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。正如美國國家材料顧問委員會的科學(xué)家在1992指出的那樣：“如果美國要保持在高技術(shù)產(chǎn)品上的領(lǐng)先，支持高技術(shù)纖維的開發(fā)是十分關(guān)鍵的。失去在高技術(shù)纖維領(lǐng)域的領(lǐng)先地位將使我們失去飛機(jī)制造業(yè)在國際上的領(lǐng)先優(yōu)勢，進(jìn)一步還會削弱我們的汽車工業(yè)在國際上的競爭力”。

　　巨大的產(chǎn)業(yè)化空間。高性能纖維具有已有的和潛在的市場，除在軍事領(lǐng)域外，它還在航空航天、船舶、海洋工程、電子信息、橋梁建筑、交通運(yùn)輸、體育娛樂、建筑等方面有廣闊的應(yīng)用前景。其產(chǎn)業(yè)化上可帶動原材料，下可帶動復(fù)合材料及其產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 123,123

　　纖維強(qiáng)度不足理論十分之一，科學(xué)理論上還有進(jìn)一步發(fā)展的需要。纖維在成型過程中大分子鏈沿軸向取向排列形成規(guī)整度很高的軸向有序結(jié)構(gòu)，如果纖維中所有的大分子沿軸向整齊排列，其的理論拉伸強(qiáng)度可達(dá)200cN/dtex以上。目前即使是高強(qiáng)高模纖維，其強(qiáng)度僅為理論強(qiáng)度的十分之一，在材料中也是比強(qiáng)度最高的。同時也說明我們對傳統(tǒng)的纖維成型理論及其工藝通過創(chuàng)新性研究還會進(jìn)一步提高纖維強(qiáng)度和模量。 copyright 123456

　　2、碳纖維

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　　2.1、碳纖維性能卓越，是軍民兩用的新材料

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　　碳纖維是含碳量在95%以上的新型高性能纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。它是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

　　碳纖維的比模量是鋼鐵的100以上，在同時要求重量和強(qiáng)度的工程上應(yīng)用前景璀璨。碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。它的比重不到鋼的1/4，模量卻是鋼的5-6倍，材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。而且碳纖維在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，且具有耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱等特性，碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料更是具備出類拔萃的綜合性能。不少人預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時代進(jìn)入到一個復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的時代。

　　碳纖維目前的主要消費(fèi)市場在于航空航天、風(fēng)力發(fā)電、運(yùn)動器材等領(lǐng)域。碳纖維可用來替代銅、鋼鐵等金屬，同時用于國防軍事、機(jī)械和建材交通等領(lǐng)域，是軍民兩用的關(guān)鍵新材料，在國民經(jīng)濟(jì)中有著重要的戰(zhàn)略地位。

　　2.2、碳纖維全球需求持續(xù)增長

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　　全球碳纖維的需求量每年以13%的速度增長。隨著航空航天等領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求的持續(xù)增長，全球碳纖維市場正以每年平均兩位數(shù)的速度快速增長。據(jù)美國Lucintel公司研究稱，未來幾年全球碳纖維市場將以每年13%的速度繼續(xù)增長，預(yù)計(jì)到2015年全球碳纖維市場將達(dá)到23億美元。 內(nèi)容來自123456

　　航空航天和風(fēng)電新能源等領(lǐng)域是全球碳纖維的主要增長市場。在航空航天領(lǐng)域，越來越多的商務(wù)飛機(jī)和軍用飛機(jī)的主要或次要結(jié)構(gòu)件模型將應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)。此外，隨著全球風(fēng)電市場的逐步壯大，風(fēng)電葉片也已經(jīng)成為碳纖維主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。據(jù)《ChemicalWeek》稱，一套機(jī)組僅葉片就重18噸，如果用碳纖維，能減輕6噸，還增加了強(qiáng)度和韌性，也增加了發(fā)電功率，如此優(yōu)秀的品質(zhì)使碳纖維在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用越來越多，到2014年，每年將有超過5萬噸的碳纖維流入葉片市場領(lǐng)域。

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　　日本三菱麗陽公司調(diào)查了2006年到2015年碳纖維在三大領(lǐng)域各自的需求情況及預(yù)測，認(rèn)為自2012年起其需求將以年增長近20%的速度強(qiáng)勁增長。

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　　2.3、碳纖維全球產(chǎn)能分布集中，供給較平衡

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　　碳纖維分為三種，聚丙烯腈(PAN)基碳纖維是其主要品種，占其總產(chǎn)量的90%以上。碳纖維按照原絲成分，主要分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類。其中，聚丙烯腈(PAN)基碳纖維因生產(chǎn)工藝相對比較簡單、技術(shù)相對成熟、產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能好且成本相對較低已經(jīng)成為碳纖維工業(yè)生產(chǎn)的主流產(chǎn)品，約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%，也是當(dāng)今世界碳纖維發(fā)展的主流。 123,123

　　聚丙烯腈(PAN)基碳纖維產(chǎn)能非常集中，日本和美國合計(jì)產(chǎn)能占全球80%以上。PAN基碳纖維方面，日本廠商產(chǎn)能依舊雄踞第一位，日本前三大PAN基碳纖維廠商東麗、東邦及三菱的總產(chǎn)能達(dá)到40400噸，美國前三大PAN基碳纖維廠商卓爾泰克(Zoltec)、Hexcel及氰特(Cytec)集團(tuán)的總產(chǎn)能達(dá)到20750，分別占全球總產(chǎn)能的53.87%與27.67%，產(chǎn)能分布非常集中。

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　　瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維產(chǎn)量較小，用于其他更特殊要求的領(lǐng)域。瀝青基碳纖維屬于高模量碳纖維，是碳纖維第二大品種，總產(chǎn)量約占7%。粘膠基碳纖維受性價比等因素制約，占碳纖維總產(chǎn)量不足1%，但由于有更好的耐燒蝕性能，主要用于隔熱材料，如火箭發(fā)動機(jī)噴管等。 copyright 123456

　　2.4、碳纖維的國內(nèi)消費(fèi)市場潛力巨大 內(nèi)容來自123456

　　國內(nèi)的碳纖維市場近年消費(fèi)增速加快，未來將出現(xiàn)快速擴(kuò)張態(tài)勢，年均增速將達(dá)18.41%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1996-2002年國內(nèi)碳纖維消費(fèi)量年均增長超過20%，而近幾年來碳纖維消費(fèi)需求量增速一直保持在18%左右。2009年我國碳纖維的年需求量超過7200噸，2010年突破8500噸。未來幾年碳纖維市場將出現(xiàn)快速擴(kuò)張態(tài)勢，年均增速將達(dá)18.41%。預(yù)計(jì)到2015年，國內(nèi)碳纖維總需求量將達(dá)到13500噸/年。 內(nèi)容來自123456

　　國內(nèi)碳纖維的文體市場趨于飽和。目前我國文體休閑制品的碳纖維消費(fèi)市場已經(jīng)趨于飽和，許多產(chǎn)品以進(jìn)入國際市場為主，未來發(fā)展速度將有所減緩，預(yù)計(jì)2010-2015年期間年均增長速度約4.6%。

　　國內(nèi)碳纖維的工業(yè)及能源市場發(fā)展?jié)摿O大。我國碳纖維工業(yè)應(yīng)用的重要潛在市場以混凝土結(jié)構(gòu)物的補(bǔ)強(qiáng)、飛機(jī)制造、民用汽車和風(fēng)力發(fā)電為主，未來市場的發(fā)展前景較好，預(yù)計(jì)年均增長率達(dá)到53.4%。 123456

　　2.5、國內(nèi)實(shí)際產(chǎn)量嚴(yán)重不足，高端碳纖維依賴進(jìn)口

　　國產(chǎn)碳纖維以低端產(chǎn)品為主。我國碳纖維原絲產(chǎn)能約12080噸，碳纖維產(chǎn)能7081噸，產(chǎn)品以小絲束等低檔產(chǎn)品為主，T300級碳纖維初步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。

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　　國內(nèi)碳纖維產(chǎn)能雖基本滿足自給，但實(shí)際產(chǎn)量遠(yuǎn)小于產(chǎn)能，不足2000噸。僅從產(chǎn)能方面考察，國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)基本可滿足需求。但由于國內(nèi)碳纖維產(chǎn)品多數(shù)為低端產(chǎn)品，難以滿足下游的性能需求。且國內(nèi)多數(shù)廠商生產(chǎn)不穩(wěn)定，實(shí)際產(chǎn)量遠(yuǎn)小于產(chǎn)能。2010年國內(nèi)碳纖維實(shí)際產(chǎn)量不足2000噸，自給率不足30%，因此國內(nèi)碳纖維需求缺口仍然很大。 copyright 123456

　　國內(nèi)新增碳纖維產(chǎn)能將出現(xiàn)爆發(fā)式增長。經(jīng)歷過2008年金融危機(jī)，2009-2010年我國碳纖維消費(fèi)量開始攀升，預(yù)計(jì)在2012年前后進(jìn)入增長期。目前我國有許多碳纖維項(xiàng)目開始啟動，預(yù)計(jì)到2015年我國將新增碳纖維原絲產(chǎn)能44000噸，原絲碳化產(chǎn)能21400噸。 本文來自123

　　盡快加快國內(nèi)碳纖維尤其是高端碳纖維的自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，具備重大戰(zhàn)略意義。受供求關(guān)系和發(fā)達(dá)國家對我國實(shí)行碳纖維技術(shù)及產(chǎn)品雙重封鎖的影響，我國碳纖維市場一直處于受制于人的狀態(tài)，甚至某些碳纖維復(fù)合材料高端用戶面臨沒有原料可以進(jìn)行加工的尷尬境地。此外，由于大型航空飛機(jī)制造和清潔能源等產(chǎn)業(yè)的拉動，世界范圍的碳纖維需求量將持續(xù)增加，國際碳纖維供需關(guān)系短期之內(nèi)不會大幅回落。因此，作為重大戰(zhàn)略材料，我國需建設(shè)立足國內(nèi)的碳纖維自主保障能力，以確保高端用戶的需要。 copyright 123456

　　2.6、制約我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的瓶頸：原絲工藝和碳化設(shè)備 123456

　　制約我國碳纖維發(fā)展的主要因素有兩個方面，其一是碳纖維原絲質(zhì)量問題。國產(chǎn)原絲在純度、強(qiáng)度以及均質(zhì)化方面與國外相比存在較大差距，大大制約了國產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)品質(zhì)量。碳纖維生產(chǎn)工藝流程長，技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)多，生產(chǎn)壁壘高，是多學(xué)科、多技術(shù)的集成，其中碳纖維原絲的生產(chǎn)技術(shù)更是難中之難。 本文來自123

　　碳纖維原絲的生產(chǎn)難度主要表現(xiàn)在碳纖維原絲的噴絲工藝、丙烯腈聚合工藝、丙烯腈與溶劑及引發(fā)劑的配比等。由于PAN-原絲對碳纖維質(zhì)量影響巨大，占碳纖維成本比例達(dá)到50%以上。PAN基碳纖維制造的第一步是用丙烯睛(AN)單體制造PAN原絲，類似于紡織用的PAN纖維的生產(chǎn)。在原絲制備工藝中，需要考慮影響原絲質(zhì)量的因素，比如聚合物的分子量、聚合組分、紡絲拉伸方法等等。第二步是原絲的預(yù)氧化和碳化，預(yù)氧化處理的目的是使PAN的線性分子鏈轉(zhuǎn)化為耐熱的梯形結(jié)構(gòu)，使其在高溫碳化時不熔不燃，保持纖維形態(tài)。碳化過程是碳纖維形成的主要階段，除去了纖維中大量的氧、氮和其他元素，再經(jīng)表面處理、干燥上漿得到金屬光澤的PAN基碳纖維產(chǎn)品。 copyright 123456

　　目前，世界碳纖維的技術(shù)格局是：日本壟斷關(guān)鍵技術(shù)，美國的碳纖維技術(shù)處于成長階段，國內(nèi)則處于起步階段。世界碳纖維技術(shù)主要掌握在日本東麗公司、東邦公司和三菱人造絲公司手中，這3家企業(yè)技術(shù)嚴(yán)格保密。而美國赫克塞爾(Hexcel)、阿莫科(Amoco)和卓爾泰克(Zoltek)等其他碳纖維企業(yè)均處于成長階段，生產(chǎn)工藝還處于不斷完善階段。國內(nèi)的碳纖維企業(yè)更是處于如何提高原絲生產(chǎn)工藝水平的瓶頸上。

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　　碳纖維技術(shù)的發(fā)展方向是在降低成本的基礎(chǔ)上提高性能。近年來，國外對碳纖維技術(shù)開發(fā)研究集中在提高性能、降低成本方面。日本東麗公司根據(jù)先進(jìn)復(fù)合材料市場發(fā)展的需求，已決定逐步淘汰T300類碳纖維，重點(diǎn)發(fā)展拉伸強(qiáng)度為4000-5000MPa、價格與T300基本相當(dāng)?shù)奶祭w維品種，同時由于大絲束碳纖維性價比較高，也開始發(fā)展大絲束碳纖維。 123456

　　制約我國碳纖維發(fā)展的瓶頸之二是耐高溫材料及大型高溫爐。國產(chǎn)碳化爐采用僅能允許在1400℃以下溫度使用的碳化硅作為發(fā)熱體，高溫環(huán)境下碳化硅抗負(fù)荷強(qiáng)度低，不能制作大尺寸工業(yè)規(guī)模碳化爐，無法實(shí)現(xiàn)1500℃的最佳工藝。國外采用高純石墨材料1800℃以上的高溫碳化爐嚴(yán)格限制對我國的出口，中等規(guī)模的高溫碳化爐進(jìn)口價格高，導(dǎo)致國產(chǎn)碳纖維裝臵的建設(shè)成本過高，無法與進(jìn)口纖維競爭。

　　2.7、國內(nèi)碳纖維研發(fā)步調(diào)加快，小有成果

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　　我國碳纖維研究已經(jīng)三十多年，T300通用級產(chǎn)業(yè)化已取得突破性進(jìn)展，百噸級和千噸級碳纖維已投入生產(chǎn)；T700級正在進(jìn)行中試放大，T800級正在實(shí)驗(yàn)室研制。目前國內(nèi)有一兩個單位的產(chǎn)品品質(zhì)已超過T300級的性能指標(biāo)，達(dá)到了T400級水平，并且可以小批量生產(chǎn)。這處于上世紀(jì)80年代日本東麗公司在碳纖維研發(fā)方面的水平。同時由于T300級碳纖維實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，打破了國外壟斷，迫使進(jìn)口價格大幅度下降。從總體形勢來看，我國當(dāng)前處于由T300通用級向高性能的T700和T800發(fā)展的過渡期。高性能的T700、T800和T1000級的碳纖維研制尚遠(yuǎn)。