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最新消息| “新材料之王”碳纖維的三大特點復材云集|復合材料 | 2022-08-01 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"http://news.sohu.com/a/569978932_121271431" 原標題：“新材料之王”碳纖維的三大特點復材云集|復合材料什麼是碳纖維碳纖維（CarbonFiber）是由聚丙烯腈（PAN）等有機纖維在1000~3000°C高溫的惰性氣體氛圍中經氧化碳化后制成的，含碳量在90%以上的無機高分子纖維，是目前可以獲得的最輕的無機材料之一。碳纖維的比強度和比模量等力學性能優異，且具有低密度、耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、抗疲勞、高震動衰減性、高導電導熱性、低熱膨脹系數、高電磁屏蔽性等特點，其易加工、可設計的性能使其廣泛應用于航空航天、軍工、能源、體育用品、汽車工業、軌道交通和建筑補強等領域，是國防軍工和國民經濟不可或缺的戰略新興材料，被譽為新材料之王。按照原料不同，碳纖維可分為PAN基、粘膠基、瀝青基碳纖維。按照原材料不同，碳纖維主要分為粘膠基（纖維素基、人造絲基）、瀝青基（各向同性、中間相）和聚丙烯腈（PAN）基三大類。目前以聚丙烯腈為原料制成的PAN基碳纖維占據主流地位，產量占碳纖維總量的90%以上。按照絲束大小，碳纖維可分為大絲束和小絲束碳纖維。一般按照碳纖維中單絲根數與1000的比值命名，如12K指單束碳纖維中含有12000根單絲的碳纖維。通常將24K及以下的碳纖維稱為小絲束碳纖維，初期以1K、3K、6K為主，后逐漸發展為12K和24K，主要應用于國防軍工等高科技領域以及體育休閑用品。通常將48K以上碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括48K、60K、80K等（部分領域25K也可稱為大絲束），主要應用于能源、交運、建筑等工業領域。按照力學性能，碳纖維可分為通用型和高性能型碳纖維。業內通常采用日本東麗（TORAY）公司分類法，按照拉伸強度及模量標準進行分類。其中通用型碳纖維強度為1000MPa、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強型（強度2000MPa、模量250GPa以上）和高模型（模量300GPa以上）和高強高模型等（強度4000MPa以上、模量300GPa以上）。市場空間碳纖維本身具備低比重、高強度的優異屬性，與其他材料復合制成的碳纖維復合材料具有高強輕量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等特點，因此在誕生之初便作為戰略性物資應用于國防、航空航天等軍用行業。之后隨著商業化的順利推進及成本的不斷降低，碳纖維優異屬性被廣泛認知，應用范圍持續拓寬，并逐步在民用領域大放光彩，成為軍民兩用的優異新材料品種。過去10余年間，隨著碳纖維下游應用滲透率的提升，全球碳纖維需求量穩步增長，2019年全球碳纖維需求量首次突破10萬噸，相較2008年CAGR達10%。2020年受疫情影響下游航空業受損明顯，但其他產業需求旺盛，全年需求量仍較19年同比提升3%達到10.7萬噸，據賽奧碳纖維技術預測，2025年全球碳纖維需求量有望達到20萬噸，5年CAGR將達13.3%，未來或將持續處于高速增長期。我國碳纖維行業目前已逐漸步入快速發展期，相關能源產業競爭優勢明顯，在雙碳政策目標指引下，風電、光伏、氫能等產業有望迎來加速發展，碳纖維市場空間廣闊。根據賽奧碳纖維數據，我國碳纖維需求從2008年的0.8萬噸增長至2020年的4.9萬噸，期間CAGR高達16%，明顯高于同期全球增速。此外，我國碳纖維需求總量全球占比也在不斷提高，2020年達到45.7%，較2008年提升近23個PCT。預計到2025年，我國碳纖維需求量將達15萬噸，5年CAGR達25%。國產替代受限于碳纖維關鍵生產技術匱乏及進口設備適配性不強，我國碳纖維行業長期存在有產能，無產量的現象，目前全球碳纖維實際產能集中在日美企業。2020年以來受疫情影響，碳纖維進口難度增加，疊加日本、美國等主要碳纖維供應國收窄了對國內碳纖維的供給，導致國內需求缺口持續擴大。外部多變的環境與內需旺盛的需求，在對我國碳纖維產業提出更高要求的同時也帶來了更具確定性的發展契機，國產替代產品的質和量均將得到進一步提升。全球碳纖維運行產能穩步增長，我國實際產量較低。從產能分布來看，全球碳纖維運行產能（處于正常生產狀態且具備生產能力）穩步擴張，2020年達到17.2萬噸，其中美國產能占比22%位列第一，中國大陸和日本產能占比分列第二、三名，三者合計占比60%。雖然我國運行產能占比達到21%，但由于較多國產碳纖維企業尚未實現關鍵技術突破，核心設備多為進口且適配性不強，生產線運行及產品質量不穩定，致使實際產量僅約1.8萬噸，產能利用率不足60%，長期存在高產能、低產量的現象。碳纖維實際產能仍集中于日美企業。從企業產能份額占比來看，全球碳纖維市場依然為日、美企業所壟斷，其中：（1）小絲束市場以日本企業（東麗、東邦、三菱）為主，CR3達49%，目前碳纖維核心生產技術主要掌握在日本公司手中，產品主要應用于航空航天等高端領域，日本東麗作為全球高性能碳纖維龍頭企業，其在小絲束市場的份額占比超過26%。（2）大絲束市場以歐美企業（赫式、西格里）為主，CR3高達98%，美國產業鏈生態完備且生產要素具備全球優勢，產品主要用于航天軍工企業，其中赫式市場份額占比近60%。2020年以來，全球新冠疫情影響持續擴散，全球貿易整體受到較大沖擊，運力緊張且不確定性強，國外碳纖維出口國內的難度逐漸加大，國內碳纖維市場供不應求。國內碳纖維主要進口來源國為日本和美國，二者合計占比近40%，2020年底至2021年初，日本、美國先后加強了對碳纖維出口中國的政策管控，其中東麗因向未獲日本《外匯及外國貿易法》許可的中國企業出口碳纖維而被實施行政處罰與出口禁運，美國對碳纖維等關鍵產品供應鏈進行出口審查以免于未來面臨產品短缺，導致海外碳纖維供應能力進一步收緊。國內碳纖維供需缺口自2013年以來持續擴大，并于2020年增至約3萬噸，以T700級小絲束產品為例，產品價格由2020年初的140元千克上漲至2022年初的260元千克，期間漲幅近86%。產業鏈原油經過精煉、裂解等一系列工藝得到丙烯，再通過氨氧化獲得丙烯腈，丙烯腈（ACN）經過聚合、紡絲之后得到聚丙烯腈（PAN）原絲。原絲經過預氧化、低溫和高溫碳化、表面處理、上漿等環節得到碳纖維，同時可制造碳纖維織物和碳纖維預浸料。最終，將碳纖維與樹脂、金屬和陶瓷等基體材料結合可生產碳纖維復合材料，再通過相應成型工藝制成不同終端客戶需要的工業產品。上游對于碳纖維生產企業而言，丙烯腈是其首要的原材料，它由丙烯和氨經氨氧化反應和精煉工藝制成。目前國內丙烯腈主要用于生產ABS樹脂塑料、AS樹脂、丙烯酰胺、聚丙烯腈纖維（腈綸）等，同時還是丁腈橡膠、聚醚多元醇等許多石化產品必不可少的原料或中間體。丙烯腈的下游產品廣泛應用于家電、服裝、汽車、醫藥等國民經濟中的各個領域。2016年之前，中國丙烯腈進口依存度長期保持在28%以上，隨著斯爾邦丙烯腈裝置于2016年投產，我國丙烯腈的進口依存度有所下降。之后我國丙烯腈產業國產替代步伐不斷加快，產能供應持續發力，2021年1-11月丙烯腈總進口量僅為18.7萬噸，已經低于丙烯腈出口數量。截至2021年10月，國內丙烯腈前四大廠商均具備45萬噸以上的年產能，其中斯爾邦、上海賽科石化和浙江石化均擁有52萬噸的年產能，居國內前列。斯爾邦、利華益集團和天辰齊翔等均有丙烯腈在建產能。其中，斯爾邦二期丙烷產業鏈項目共包含兩套26萬噸年丙烯腈裝置，其中一套預計2022年投產，屆時總產能將達到78萬噸；兩套裝置全部投產后，公司丙烯腈總年產能將達到104萬噸，進一步鞏固其行業龍頭地位。中游企業通過聚合丙烯腈方式獲得聚丙烯腈（雖然聚合本身的技術難度不是很高，但是要獲得能夠在后續過程中適合紡絲、氧化，碳化等流程的成品丙烯腈較為困難）。將聚丙烯腈置于紡絲設備中，經高壓釜和噴頭紡絲得到聚丙烯腈原絲（即PAN原絲）。原絲質量直接決定碳纖維性能。原絲通常占碳纖維總生產成本的51%，因此在原絲生產環節采用先進工藝，以提高原絲質量并壓縮生產成本，對提升碳纖維企業市場競爭力至關重要。碳纖維紡絲工藝分為濕噴濕紡和干噴濕紡兩種。傳統濕法紡絲（濕噴濕紡）具體方法是將噴絲板浸入凝固浴中，紡絲液從噴絲頭擠出后，以細流的形態進入到凝固浴中，原液噴出后立即凝固。濕法紡絲的優點是操作流程簡單易行，對生產環境和操作水平的要求較低，而且噴絲過程中的偶發性斷絲不影響整體流程的進行。但該方法的明顯缺點在于所得碳纖維性能不高。這種工藝得到的碳纖維表面有明顯的溝槽形貌，屬于徑向收縮表皮塌陷的結果，也反映了碳纖維原絲不均一不致密的內部結構。而這種不均一光滑的粗糙溝渠結構會降低最終所得碳纖維的力學性能。造成這一現象的原因主要是從噴絲孔中直接噴射到凝固浴中，纖維的脹大效應與體積收縮效應同時進行，形成了不規則的溝渠狀表面。由于濕法紡絲對碳纖維原絲的結構產生了負面影響，它一般用于生產T300、T400等性能較低的碳纖維生產。部分公司通過濕法紡絲生產高性能碳纖維，大多是在其他環節通過嚴控生產條件、研發新方法，才最終提高了碳纖維性能。但這些附加條件提高了企業生產成本，且因濕法紡絲工藝本身的束縛，碳纖維產品力學性能的提高空間較小。干噴濕紡干噴濕紡的具體方法是即將噴絲板與凝固浴脫離一段距離，使原液噴出后先經過一段空氣層，使其在未凝固的條件下被牽伸均勻，再進入凝固浴進行雙擴散。與濕噴濕紡相比，干噴濕紡主要有提效、增質兩大優勢。一方面，它可以進行高倍的噴絲頭拉伸，紡絲速度是濕噴濕紡的3~4倍，可明顯提高生產效率，從而大幅降低碳纖維單位生產成本。另一方面，干噴濕紡技術中紡絲可在空氣層中形成一層致密的薄層，避免大孔洞的形成，因而質量優于濕噴濕紡。用干噴濕紡技術得到的纖維，結構比較均勻，皮芯層差異小，強度和彈性均有提高，截面結構近似圓形，纖維表面光滑，纖維內部缺陷少。因此通過干噴濕紡紡出的原絲致密性好，體密度較高，可制得高性能碳纖維。但干噴濕紡對紡絲工藝和原液質量提出了很高的要求。在生產過程中，任何一根原液由于不穩定因素斷流，都會立即附著在噴絲板并向四周漫流，進一步粘連到鄰近絲束，最終破壞整個噴絲板的正常生產。下游碳纖維應用：碳纖維結合樹脂材料通過改變浸漬法、溫度、步驟等程序控制碳纖維性能可以得到受力結構用碳纖維、耐焰碳纖維、活性碳纖維(吸附活性)、導電用碳纖維、潤滑用碳纖維、耐磨用碳纖維，輔以成型工藝得到相應的碳纖維復合材料應用于航空航天、風電葉片、汽車用品等下游行業。目前國內的主要碳纖維產品以通用碳纖維為主，受限于國內技術工藝仍處于碳纖維初期，市場滲透率還有待提升，短期沒有看到根據下游需求做定制化趨勢，但碳纖維長期有望根據應用場景獲取差異化優勢。全球范圍來看，碳纖維下游應用較為分散，各產業應用蓬勃發展，風電葉片、航空航天、體育及汽車為主要應用領域。按用量計，風電葉片近年來快速發展，現已成為全球第一大碳纖維消費市場，2020年需求量3.06萬噸占比29%，航空航天、體育休閑及汽車分別占比15%、14%和12%。值得關注的是，若以金額計，航空航天產業以9.87億美元排名第一，占比高達38%，體現出航空航天領域碳纖維產品的高產值，而風電葉片雖用量大，但其使用的碳纖是低成本的大絲束產品，因此金額計占比僅約16%。航空航天領域產品具備高附加值，大絲束產品份額持續提升。上文提到，小絲束碳纖維產品生產工藝要求嚴格且難度大，生產成本較高，故多用于航空航天等高科技及高附加值領域，航空航天領域產品單價約60美元噸。而大絲束產品性能相對遜色但勝在生產成本低，以風電葉片為代表的碳纖維產品單價低至14美元kg，因此在風電、電纜等基礎工業領域需求旺盛，2020年大絲束產品需求占比約45%，較2019年提高2個PCT。未來在風電領域高景氣疊加對部分小絲束產品替代的推動下，大絲束產品份額有望進一步提升我國碳纖維行業進入快速發展期，需求增長顯著。返回搜狐，查看更多責任編輯： 關鍵字標籤：PET monofilament yarn |
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