碳纖維制造工藝的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì)(碳纖維的發(fā)展與應(yīng)用)

今天給各位分享碳纖維制造工藝的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì)的知識(shí)，其中也會(huì)對(duì)碳纖維的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行解釋，如果能碰巧解決你現(xiàn)在面臨的問題，別忘了關(guān)注本站，現(xiàn)在開始吧！全球碳纖維分領(lǐng)域需求上升碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高的特性，活躍在各種各樣的用途上。根據(jù)賽奧碳纖維技術(shù)統(tǒng)計(jì)，2018年全球碳纖維運(yùn)用細(xì)分領(lǐng)域中風(fēng)電葉片葉片和航天國防領(lǐng)域最多，分別達(dá)到22000噸、21000噸。

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本文目錄一覽：

• 1、碳纖維材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
• 2、碳纖維研究進(jìn)展及發(fā)展現(xiàn)狀
• 3、碳纖維制備工藝
• 4、碳材料的發(fā)展趨勢(shì)
• 5、碳纖維未來的發(fā)展前景如何？
• 6、碳纖維 發(fā)展前景

碳纖維材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

行業(yè)主要上市公司：吉林化纖(000420);中復(fù)神鷹(688295);光威復(fù)材(300699);精功科技(002006);中簡(jiǎn)科技(300777);吉林碳谷(83677)等。

本文核心數(shù)據(jù)：中國碳纖維產(chǎn)能;中國碳纖維產(chǎn)量;中國碳纖維需求量

行業(yè)概況

——定義

碳纖維(CF)是指含碳量大于90%的纖維材料，可以用粘膠、聚丙烯腈以及瀝青等有機(jī)纖維在高溫下碳化制取。高強(qiáng)、高模CF主要由聚丙烯腈長(zhǎng)絲在1000℃以上高溫碳化形成，它與樹脂、金屬、陶瓷、碳、玻璃等復(fù)合后具有模量高、強(qiáng)度高、重量輕、抗疲勞、耐腐蝕等特性，廣泛應(yīng)用于航天、航空、軍工、航海、化工、電子、建筑以及體育休閑等領(lǐng)域，是軍民兩用的高技術(shù)纖維。

當(dāng)前，各國大多按照習(xí)慣對(duì)碳纖維進(jìn)行分類，分類方式大致有以下三種：

(1)按照原料分類：聚丙烯腈(PAN)基;瀝青基(各向同性、中間相);膠黏基。

(2)按照制造條件和方法分類：碳纖維(800-1600℃);石墨纖維(2000-3000℃);氧化纖維(預(yù)氧絲200-300℃);活性碳纖維;氣相生長(zhǎng)碳纖維。

(3)按力學(xué)性能分類：通用級(jí)(GP);高性能(HP);期中包括中強(qiáng)型(MT)、高強(qiáng)型(HT)、超高強(qiáng)型(UHT)、中模型(IM)、高模型(HM)、超高模型(UHM)。碳纖維在應(yīng)用時(shí)多是作為增強(qiáng)材料而利用其優(yōu)良的力學(xué)性能，因此使用中更多地是按其力學(xué)性能分類，一般認(rèn)為纖維的拉伸強(qiáng)度低于1400MPa，拉伸模量小于140GPa，則此種屬于通用級(jí)碳纖維范疇。在高性能碳纖維范疇中，對(duì)中強(qiáng)、中模、高強(qiáng)、高模、超高強(qiáng)、超高模等并無嚴(yán)格的區(qū)分指標(biāo)。

——產(chǎn)業(yè)鏈剖析：產(chǎn)業(yè)鏈涉及領(lǐng)域廣泛

碳纖維的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，從碳纖維紡絲、預(yù)氧化、碳化到復(fù)合材料成型再到終端的應(yīng)用需要經(jīng)歷復(fù)合且很長(zhǎng)的過程。碳纖維復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)電葉片、汽車、體育休閑、混配模成型、電纜芯、建筑建材、壓力容器、船舶、碳碳復(fù)材、電子電器等多個(gè)領(lǐng)域。

行業(yè)發(fā)展歷程：行業(yè)處在快速發(fā)展階段

我國的碳纖維行業(yè)起步于20世紀(jì)60年代，幾乎和日美等國家同時(shí)起步，但由于相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備不足、知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬等問題，發(fā)展緩慢。同時(shí)，日本、美國等國家對(duì)碳纖維核心技術(shù)形成壟斷，我國碳纖維生產(chǎn)技術(shù)和裝備水*整體落后于國外，在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)展止步不前，無法滿足國家重大裝備等高端領(lǐng)域的需求。

2000年以來，國家加大對(duì)于碳纖維領(lǐng)域自主創(chuàng)新的支持力度，將碳纖維列為重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目。伴隨著國家政策的大力扶持，國內(nèi)碳纖維行業(yè)在技術(shù)上取得重大突破，產(chǎn)業(yè)化程度快速提升，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，地區(qū)上目前已形成以江蘇、山東和吉林等地為主的碳纖維聚集地。

行業(yè)政策背景：政策加持，支持碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

國家政策作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的催化劑，近年來，國家持續(xù)發(fā)布相關(guān)政策推動(dòng)碳纖維健康有序發(fā)展。從國家的政策可以看出，國家把碳纖維作為新材料進(jìn)行推廣和應(yīng)用，持續(xù)引導(dǎo)國內(nèi)碳纖維發(fā)展，計(jì)劃形成若干家家具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的碳纖維大型企業(yè)集團(tuán)及若干創(chuàng)新能力強(qiáng)、特色鮮明、產(chǎn)業(yè)鏈完善的碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。未來隨政策的支持，我國碳纖維行業(yè)相關(guān)技術(shù)將接近國際水*。

行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

——供給：中國成為全球最大產(chǎn)能國

我國碳纖維工業(yè)的起步可以追溯到1962年，到目前為止已發(fā)展57年，僅比世界碳纖維起步晚3年;但無論是研發(fā)成果還是制造工藝，我國同發(fā)達(dá)國家相比還存在一定差距。

2021年，中國大陸地區(qū)首次超過美國，成為全球最大產(chǎn)能國，產(chǎn)能達(dá)到6.34萬噸，占全球總產(chǎn)能比重超過30%。

在產(chǎn)量方面，2021年由于國內(nèi)碳纖維產(chǎn)能加速擴(kuò)張，同時(shí)開工率保持穩(wěn)定，新裝置相繼投產(chǎn)，帶動(dòng)產(chǎn)量增長(zhǎng)。2021年我國碳纖維產(chǎn)量達(dá)到2.43萬噸，同比增長(zhǎng)30.03%。

——需求：風(fēng)電葉片為最大需求領(lǐng)域

總體來看，早年間在全球碳纖維供應(yīng)不足的情況下，美國、日本等國家對(duì)中國實(shí)行出口限制，導(dǎo)致中國碳纖維需求長(zhǎng)期被抑制。近幾年由于國內(nèi)技術(shù)突破，刺激了對(duì)碳纖維的使用。近年來我國碳纖維需求量呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，2017-2021年，我國碳纖維需求量呈不斷上升趨勢(shì)，2021年中國碳纖維需求量6.24萬噸，同比增長(zhǎng)27.7%。

2021年，國內(nèi)碳纖維需求量占比前三的領(lǐng)域依次是風(fēng)電葉片、體育休閑和碳-碳復(fù)材，分別占比36%、28%、11%，其他領(lǐng)域的需求占比均不足10%。在海上風(fēng)電葉片大尺寸的發(fā)展趨勢(shì)下，預(yù)計(jì)風(fēng)電葉片領(lǐng)域碳纖維的需求將持續(xù)增加。

行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局

——區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)格局：江蘇省和廣東省是主要碳纖維消費(fèi)省份

從碳纖維市場(chǎng)消費(fèi)金額來看，江蘇省和廣東省是消費(fèi)大省，消費(fèi)占比分別為35.4%和21.4%;其次為山東，消費(fèi)占比為18%;其他省份消費(fèi)占比均不超過6%。

——企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局：吉林化纖、中復(fù)神鷹為行業(yè)龍頭企業(yè)

目前，我國碳纖維第一梯隊(duì)企業(yè)有吉林化纖、中復(fù)神鷹，該類企業(yè)碳纖維原絲產(chǎn)能在2.5萬噸以上，碳纖維產(chǎn)能在1萬噸以上;第二梯隊(duì)企業(yè)有江蘇恒神、光威復(fù)材，該類企業(yè)碳纖維原絲產(chǎn)能在1萬噸以上，碳纖維產(chǎn)能在0.5萬噸以上;第三梯隊(duì)企業(yè)有太銅銅料、蘭州藍(lán)星，該類企業(yè)碳纖維原絲以及碳纖維產(chǎn)能在0.5萬噸左右;第四梯隊(duì)企業(yè)為行業(yè)內(nèi)的其他中小制造企業(yè)。

行業(yè)發(fā)展前景及趨勢(shì)預(yù)測(cè)

——市場(chǎng)走向良性健康發(fā)展道路

現(xiàn)今，碳纖維行業(yè)總體技術(shù)尚不成熟穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量及性價(jià)比相對(duì)較低。不過，隨著我國高端碳纖維技術(shù)的不斷突破以及生產(chǎn)向規(guī)?；头€(wěn)定化發(fā)展，企業(yè)布局逐漸向高附加值的下游應(yīng)用領(lǐng)域延伸，我國碳纖維行業(yè)將逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，企業(yè)盈利能力有望逐步恢復(fù)，市場(chǎng)走向良性健康發(fā)展道路。

尤其是在***正式發(fā)布的《中國制造2025》中，對(duì)我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展作了整體部署，明確了建設(shè)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略任務(wù)和重點(diǎn)，選擇10大優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)作為突破點(diǎn)，力爭(zhēng)到2025年達(dá)到國際領(lǐng)先地位或國際先進(jìn)水*。

——碳纖維新產(chǎn)品向高穩(wěn)定、高端化方向發(fā)展

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì)，碳纖維行業(yè)將出現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)：

以上數(shù)據(jù)參考前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國碳纖維行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》。

碳纖維研究進(jìn)展及發(fā)展現(xiàn)狀

全球碳纖維分領(lǐng)域需求上升

碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高的特性，活躍在各種各樣的用途上。包括用于追求輕且易用的高性能體育用品、追求在宇宙飛行用的輕量且高性能材料的航空航天飛行器，以及壓力容器、汽車、風(fēng)車、船舶、土木建筑等各種各樣的一般產(chǎn)業(yè)用途。根據(jù)賽奧碳纖維技術(shù)統(tǒng)計(jì)，2018年全球碳纖維運(yùn)用細(xì)分領(lǐng)域中風(fēng)電葉片葉片和航天國防領(lǐng)域最多，分別達(dá)到22000噸、21000噸。而增長(zhǎng)最為顯著的是汽車零部件領(lǐng)域，2013-2018年需求復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到33%。

從全球市場(chǎng)看，2018年全球市場(chǎng)碳纖維需求為9.26萬噸，預(yù)計(jì)在2020年全球需求將達(dá)到11.21萬噸。

就需求結(jié)構(gòu)而言，碳纖維材料總量一半以上應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，風(fēng)電葉片領(lǐng)域應(yīng)用占比24%，航空航天領(lǐng)域應(yīng)用占比23%，體育休閑領(lǐng)域占比15%，汽車工業(yè)領(lǐng)域占比12%，四者總計(jì)占比74%。其中，體育休閑用品所消耗的碳纖維呈逐年下降之勢(shì)。

從產(chǎn)能的角度來看，全球碳纖維市場(chǎng)基本被日本和美國企業(yè)壟斷。2018年世界碳纖維產(chǎn)能為15.5萬噸。從地區(qū)來看，美國生產(chǎn)3.73萬噸占24%，日本生產(chǎn)2.91萬噸，占比19%，中國生產(chǎn)碳纖維2.68萬噸，占比19%。

但是從企業(yè)來看，日本企業(yè)在全球小束絲碳纖維市場(chǎng)份額占到約58%，其中日本東麗占比27%、日本東邦占比18%、日本三菱占比13%;全球大束絲碳纖維市場(chǎng)集中度更高，基本被日本Zoltek和德國SGL兩家控制(注：Zoltek2013年被東麗收購)，Zoltek全球占比49%，德國SGL全球占33%。

中國碳纖維處于產(chǎn)能擴(kuò)張階段

從整體供需狀況上看，目前世界上碳纖維的主要消費(fèi)地區(qū)仍然集中在美國、歐洲和日本。根據(jù)賽奧碳纖維技術(shù)統(tǒng)計(jì)，中國碳纖維需求量一直維持穩(wěn)步上升趨勢(shì)，2018年國內(nèi)碳纖維市場(chǎng)需求為3.1萬噸，同比增長(zhǎng)32%，預(yù)計(jì)未來年復(fù)合增長(zhǎng)率為12%，在2020年國內(nèi)市場(chǎng)需求將達(dá)到3.89萬噸。

目前國內(nèi)T300級(jí)碳纖維性能達(dá)到國際水*，主要運(yùn)用于航空航天及體育休閑等領(lǐng)域;T700級(jí)碳纖維已建成千萬噸級(jí)生產(chǎn)線，低成本干噴濕紡T700級(jí)碳纖維已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn);中國首條千噸級(jí)T800原絲生產(chǎn)線由中復(fù)神鷹生產(chǎn)線2016年投產(chǎn);但T800級(jí)以上的碳纖維國內(nèi)企業(yè)還處于小規(guī)模試驗(yàn)，技術(shù)相對(duì)東麗還是存在較大差距。中國在T800級(jí)別以上的碳纖維生產(chǎn)中都還是處于小批量試驗(yàn)生產(chǎn)階段，而國外的東麗公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了比較成熟的高模產(chǎn)品。中國碳纖維公司產(chǎn)能前三名是：中復(fù)神鷹、江蘇恒神以及精密集團(tuán)。

——以上數(shù)據(jù)來源于前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國碳纖維行業(yè)深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》。

碳纖維制備工藝

? ? ? ? 碳纖維(Carbon Fibre，簡(jiǎn)稱CF)是纖維狀的碳材料，及其化學(xué)組成中碳元素占總質(zhì)量的90%以上（其中含碳量高于99%的稱石墨纖維）。碳纖維是有機(jī)纖維纖維經(jīng)預(yù)氧化、碳化成的纖維狀聚合物碳，既不屬于無機(jī)纖維，也不屬于有機(jī)纖維。碳纖維及其復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度，高比模量，耐高溫，耐腐蝕，耐疲勞，抗蠕變，導(dǎo)電，傳熱，和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，它們既可以作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又可以作為功能材料發(fā)揮作用。碳纖維與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱夫拉纖維相比，楊氏模量是其2倍左右，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。因此碳纖維及其復(fù)合材料近年來發(fā)展十分迅速。

? ? ? ? ?可以用來制取碳纖維的原料有許多種，按它的來源主要分為兩大類，一類是人造纖維，如粘膠絲，人造棉，木質(zhì)素纖維等，另一類是合成纖維，它們是從石油等自然資源中提純出來的原料，再經(jīng)過處理后紡成絲的，如腈綸纖維，瀝青纖維，聚丙烯腈(PAN)纖維等。

? ? ? ?經(jīng)過多年的發(fā)展目前只有 粘膠(纖維素)基碳纖維 、 瀝青纖維 和 聚丙烯腈(PAN)纖維 三種原料制備碳纖維工藝實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。

? ? ? ? 用粘膠基碳纖維增強(qiáng)的耐燒蝕材料可以制造火箭、導(dǎo)彈和航天飛機(jī)的鼻錐及頭部的大面積燒蝕屏蔽材料、固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等，是解決宇航和導(dǎo)彈技術(shù)的關(guān)鍵材料。粘膠基碳纖維還可做飛機(jī)剎車片、汽車剎車片、放射性同位素能源盒，也可增強(qiáng)樹脂做耐腐蝕泵體、葉片、管道、容器、催化劑骨架材料、導(dǎo)電線材及面發(fā)熱體、密封材料以及醫(yī)用吸附材料等。

? ? ? ?雖然它是最早用于制取碳纖維的原絲，但由于粘膠纖維的理論總碳量?jī)H44.5%實(shí)際制造過程熱解反應(yīng)中，往往會(huì)因裂解不當(dāng)，生成左旋葡萄糖等裂解產(chǎn)物而 實(shí)際碳收率僅為30% 以下 。所以粘膠(纖維素)基碳纖維的制備成本比較高， 目前其產(chǎn)量已不足世界纖維總量的1% 。但它作為航空飛行器中耐燒蝕材料有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，由于含堿金屬、堿土金屬離子少，飛行過程中燃燒時(shí)產(chǎn)生的鈉光弱，雷達(dá)不易發(fā)現(xiàn)，所以 在軍事工業(yè)方面還保留少量的生產(chǎn) 。

? ? ? ? 1965年，日本群馬大學(xué)的大谷杉郎研制成功了瀝青基碳纖維。從此， 瀝青成為生產(chǎn)碳纖維的新原料，是目前碳纖維領(lǐng)域中僅次于PAN基的第二大原料路線 。大谷杉郎開始用聚氯乙稀(PVC)在惰性氣體保護(hù)下加熱到400℃，然后將所制PVC瀝青進(jìn)行熔融紡絲，之后在空氣中加熱到260℃進(jìn)行不熔化處理，即預(yù)氧化，再經(jīng)炭化等一系列后處理得到瀝青基碳纖維。

? ? ? ? 目前，熔紡瀝青多用煤焦油瀝青、石油瀝青或合成瀝青。1970年，日本吳羽化學(xué)工業(yè)公司生產(chǎn)的通用級(jí)瀝青基碳纖維上市，至今該公司仍在規(guī)?；a(chǎn)。1975年，美國聯(lián)合碳化物公司(Union Carbide Corporation)開始生產(chǎn)高性能中間相瀝青基碳纖維“Thornel-P”，年產(chǎn)量237t。我國鞍山東亞精細(xì)化工有限公司于20世紀(jì)90年代初從美國阿石蘭石油公司引進(jìn)年產(chǎn)200t通用級(jí)瀝青基碳纖維生產(chǎn)線，1995年已投產(chǎn)，同時(shí)還引進(jìn)了年產(chǎn)45t活性碳纖維的生產(chǎn)裝置。

? ? ? ? ?PAN基碳纖維的炭化收率比粘膠纖維高，可達(dá)45%以上，而且因?yàn)樯a(chǎn)流程，溶劑回收，三廢處理等方面都比粘膠纖維簡(jiǎn)單，成本低，原料來源豐富，加上聚丙烯腈基碳纖維的力學(xué)性能尤其是抗拉強(qiáng)度，抗拉模量等為三種碳纖維之首。所以是目前 應(yīng)用領(lǐng)域最廣，產(chǎn)量也最大的一種碳纖維 。

? ? ? ? 聚丙烯腈基 碳纖維的生產(chǎn)主要包括原絲生產(chǎn)和原絲碳化兩個(gè)過程。?

? ? ? ? 原絲生產(chǎn)過程主要包括聚合、脫泡、計(jì)量、噴絲、牽引、水洗、上油、烘干收絲等工序。?

? ? ? ? 碳化過程主要包括放絲、預(yù)氧化、低溫碳化、高溫碳化、表面處理、上漿烘干、收絲卷繞等工序。

? ? ? ? ?PAN基碳纖維生產(chǎn)的流程圖如圖1所示。

? ? ? ? 在一定的聚合條件下，丙稀腈（AN）在引發(fā)劑的自由基作用下，雙鍵被打開，并彼此連接為線型聚丙烯腈（PAN）大分子鏈，同時(shí)釋放出17.5kcal/mol的熱量，即

? ? ? ?生成的聚丙烯腈(PAN)紡絲液經(jīng)過濕法紡絲或干噴濕紡等紡絲工藝后即可得到PAN原絲。

? ? ? ?預(yù)氧化和炭化過程生產(chǎn)線示意圖如圖2所示。

? ? ? ? 如圖2所示，PAN原絲經(jīng)整經(jīng)后，送入1#預(yù)氧化爐、2#預(yù)氧化爐制得預(yù)氧化纖維（俗稱預(yù)氧絲）；預(yù)氧絲進(jìn)入低溫炭化爐、高溫炭化制得碳纖維；碳纖維經(jīng)表面處理、上漿即得到碳纖維產(chǎn)品。全過程連續(xù)進(jìn)行，任何一道工序出現(xiàn)問題都會(huì)影響穩(wěn)定生產(chǎn)和碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量。全過程流程長(zhǎng)、工序多是多學(xué)科、多技術(shù)的集成。

? ? ? ?均聚PAN的玻璃化溫（Tg）為104℃，沒有軟化點(diǎn)，在317℃分解，共聚PAN的Tg大約在85~100℃范圍內(nèi)，共聚組分不同、共聚量的差異，使Tg隨之變化。共聚含量越多，Tg越低。預(yù)氧化的溫度控制在玻璃化溫度和裂解溫度之間，即200~300℃之間。預(yù)氧化的目的是使熱塑性PAN線形大分子鏈轉(zhuǎn)化為非塑性耐熱梯形結(jié)構(gòu)，使其在炭化高溫下不熔不燃、保持纖維形態(tài)，熱力學(xué)處于穩(wěn)定狀態(tài)。預(yù)氧化的梯形結(jié)構(gòu)使炭化效率顯著提高，大大降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)，預(yù)氧絲（預(yù)氧化纖維OF）也是一種重要的中間產(chǎn)品，經(jīng)深加工可制成多種產(chǎn)品，直接進(jìn)入市場(chǎng)，并已在許多領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。

? ? ? ? ?PAN原絲經(jīng)預(yù)氧化處理后轉(zhuǎn)化為耐熱梯形結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過低溫炭化（300~1000℃）和高溫炭化（1000~1800℃）轉(zhuǎn)化為具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的碳纖維。在這一結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化過程中，較小的梯形結(jié)構(gòu)單元進(jìn)一步進(jìn)行交聯(lián)、縮聚，且伴隨熱解，在向亂層石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的同時(shí)釋放出許多小分子副產(chǎn)物。同時(shí)，非碳元素O、N、H逐步被排除，C逐漸富集，最終形成含碳量90%以上的碳纖維。

? ? ? ? 另外，通過對(duì)碳纖維的進(jìn)一步石墨化還可以獲得高模量石墨纖維或高強(qiáng)度高模的MJ系列的高性能碳纖維。即在2000~3000℃高的熱處理溫度下牽伸石墨化，使碳纖維由無定型、亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。

? ? ? ? 對(duì)于碳纖維來說，預(yù)氧化時(shí)間為近百分鐘，炭化時(shí)間為幾分鐘，石墨化時(shí)間較短，一般只有幾秒到數(shù)十秒。

? ? ? ? 1、實(shí)現(xiàn)原絲 高純化、高強(qiáng)化、致密化 以及 表面光潔無暇 是制備高性能碳纖維的首要任務(wù)。碳纖維系統(tǒng)工程需從原絲的聚合單體開始，實(shí)現(xiàn)一條龍生產(chǎn)。原絲質(zhì)量既決定了碳纖維的性質(zhì)，又制約其生產(chǎn)成本。優(yōu)質(zhì)PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件，這是多年經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。

? ? ? ? 2、雜質(zhì)缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強(qiáng)度的根本措施，也是科技工作者研究的熱門課題。在某種意義上說，提高強(qiáng)度的過程實(shí)質(zhì)上就是減少、減小缺陷的過程。

? ? ? ? 3、在預(yù)氧化過程中，保證均質(zhì)化的前提下，盡可能縮短預(yù)氧化時(shí)間。這是降低生產(chǎn)成本的方向性課題。

? ? ? ? 4、研究高溫技術(shù)和高溫設(shè)備以及相關(guān)的重要構(gòu)件。高溫炭化溫度一般在1300~1800℃，石墨化一般在2500~3000℃。在如此高的溫度下操作，既要連續(xù)運(yùn)行、又要提高設(shè)備的使用壽命，所以研究新一代高溫技術(shù)和高溫設(shè)備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護(hù)、無氧狀態(tài)下進(jìn)行的微波、等離子和感應(yīng)加熱等技術(shù)。

1、預(yù)氧化爐碳

? ? ? ? 目前，大型預(yù)氧化爐采用多層運(yùn)行方式以提高生產(chǎn)效率。按照加熱空氣的組件在預(yù)氧化爐的內(nèi)部與外部的區(qū)別，這些大型預(yù)氧化爐可以分為內(nèi)熱循環(huán)式和外熱循環(huán)式兩種。外熱式可利用廢氣進(jìn)行再次熱交換，利于節(jié)能，如日本東麗公司的千噸級(jí)預(yù)氧化裝置就為該形式；而內(nèi)熱循環(huán)由于受熱風(fēng)均勻性限制，一般應(yīng)用于小型或試驗(yàn)線中。圖3為一種外熱循環(huán)式預(yù)氧化爐示意圖。

? ? ? ? 圖3所示的預(yù)氧化爐均為鋼板框架焊接結(jié)構(gòu)，分為三層，熱風(fēng)從頂部進(jìn)入爐膛，通過上層爐體安裝的孔板，形成一定的溫度梯度，均勻穿過絲束，使絲束發(fā)生預(yù)氧化反應(yīng)，從下層的循環(huán)風(fēng)出口通過過濾和再加熱后，從頂部循環(huán)進(jìn)入。為控制進(jìn)入爐膛內(nèi)部的熱空氣量，上部爐體設(shè)有解壓門(見圖示)，壓力到設(shè)定值時(shí)，解壓門自動(dòng)打開卸荷。由于PAN原絲易蓄熱，容易過熱而引起失火，故在上部爐體設(shè)有消防噴水管路。由于爐體高大，故內(nèi)部設(shè)有走臺(tái)。中部爐體部分在操作側(cè)設(shè)有移動(dòng)門，移動(dòng)門可正向移出，移動(dòng)門上設(shè)有透明觀察窗口，便于觀察絲束預(yù)氧化情況。由于該種形式的輥體在爐膛外部，因此在爐膛與外界之間設(shè)有預(yù)熱室，預(yù)熱室內(nèi)部的熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)是單獨(dú)分開的。

2、炭化設(shè)備

? ? ? ? 炭化爐一般分為低溫炭化爐（300~1000℃）和高溫炭化爐（1000~1800℃）兩種。預(yù)氧絲先經(jīng)過低溫炭化爐，然后再進(jìn)入高溫炭化爐，兩者形成溫度梯度，以適應(yīng)纖維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。低溫炭化爐如圖4、圖5所示。

高溫炭化爐如圖6所示。

? ? ? ? 將耐熱梯型結(jié)構(gòu)的有機(jī)預(yù)氧絲經(jīng)過高溫?zé)崽幚磙D(zhuǎn)化為含碳量在92%以上的無機(jī)碳纖維，實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備是碳化爐。工程實(shí)踐與研究表明：其核心技術(shù)是寬口碳化爐及其配套的迷宮密封、廢氣排除和牽伸系統(tǒng)。對(duì)于百噸級(jí)碳纖維生產(chǎn)線，爐口寬度需在1 m以上，而且要正壓操作，就需非接觸式迷宮密封裝置；為使熱解廢氣不污染纖維，排除系統(tǒng)要暢通而瞬時(shí)排出；牽伸系統(tǒng)則是制造高性能碳纖維重要手段。

3、石墨化爐

? ? ? ? 目前使用的石墨化爐大多是以石墨管為發(fā)熱體的臥式爐，圖5為一種塔姆式石墨化爐示意圖。

? ? ? ? 另外，還有以高能等離子體為熱源的石墨化爐、高頻石墨化爐，分別如圖6、圖7所示。

? ? ? ? 日本是全球最大的碳纖維生產(chǎn)國，日本的三家企業(yè)：日本東麗、日本東邦和日本三菱麗陽目前擁有全球丙烯腈基碳纖維 50%以上的市場(chǎng)份額。目前，世界碳纖維技術(shù)主要掌握在日本公司手中， 其生產(chǎn)的碳纖維無論質(zhì)量還是數(shù)量上均處于世界領(lǐng)先地位，日本東麗更是世界上高性能碳纖維研究與生產(chǎn)的 “ 領(lǐng)頭羊” 。碳纖維最成熟的技術(shù)在日本。

? ? ? ? 美國是繼日本之后掌握碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家之一，同時(shí)又是世界上最大的丙烯腈基碳纖維消費(fèi)國，約占世界總消費(fèi)量的 1/3。

? ? ? ? 世界碳纖維的生產(chǎn)主要集中在日本、 美國、 德國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家和我國的臺(tái)灣省。其中， 碳纖維最大生產(chǎn)商日本東麗、 日本東邦、 日本三菱麗陽的產(chǎn)量合計(jì)占全球產(chǎn)量的一半以上。

? ? ? ? 2017 年全球碳纖維產(chǎn)能區(qū)域分布

參考資料：

[1]

[2]?

碳材料的發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)展趨勢(shì)：前景廣闊

現(xiàn)今碳纖維制造工藝的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì)，碳纖維行業(yè)總體技術(shù)尚不成熟穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量及性價(jià)比相對(duì)較低。不過，隨著我國高端碳纖維技術(shù)碳纖維制造工藝的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì)的不斷突破以及生產(chǎn)向規(guī)?；头€(wěn)定化發(fā)展，企業(yè)布局逐漸向高附加值的下游應(yīng)用領(lǐng)域延伸，我國碳纖維行業(yè)將逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，企業(yè)盈利能力有望逐步恢復(fù)，市場(chǎng)走向良性健康發(fā)展道路。

尤其是在***正式發(fā)布的《中國制造2025》中，對(duì)我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展作了整體部署，明確了建設(shè)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略任務(wù)和重點(diǎn)，選擇10大優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)作為突破點(diǎn)，力爭(zhēng)到2025年達(dá)到國際領(lǐng)先地位或國際先進(jìn)水*。

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì)，碳纖維行業(yè)將出現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)：

——更多本行業(yè)研究分析詳見前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國碳纖維行業(yè)深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》。

碳纖維未來的發(fā)展前景如何？

碳纖維是一種高性能材料碳纖維制造工藝的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì)，與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合制備成結(jié)構(gòu)材料之后，可廣泛應(yīng)用于軍工、航天、交通、新能源、汽車輕量化以及體育用品等領(lǐng)域。2020年，全球碳纖維產(chǎn)能排名前三的國家分別是美國、中國和日本。從生產(chǎn)企業(yè)看，日本東麗與卓科泰克合并后，碳纖維產(chǎn)能達(dá)5.37萬噸，在行內(nèi)遙遙領(lǐng)先。

多家中國企業(yè)如中復(fù)神鷹、江蘇恒神和光威復(fù)材的產(chǎn)能也超過5000噸。從細(xì)分市場(chǎng)看，小絲束碳纖維市場(chǎng)中，日本企業(yè)占據(jù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。日本東麗、東邦和三菱三家企業(yè)占據(jù)全球小絲束碳纖維市場(chǎng)份額的49%。大絲束碳纖維市場(chǎng)中，美國赫氏領(lǐng)先全球，占據(jù)了58%的全球市場(chǎng)份額。

1、碳纖維的定義與分類

碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)過一系列熱處理轉(zhuǎn)化而成，含碳量高于90%的無機(jī)高性能纖維，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，具有碳材料的固有本性特征，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。同時(shí)由于其獨(dú)特的高強(qiáng)高模優(yōu)異性能，與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合制備成結(jié)構(gòu)材料之后，可廣泛應(yīng)用于軍工、航天、交通、新能源、汽車輕量化以及體育用品等領(lǐng)域。

按力學(xué)性能分類，碳纖維可以分為大絲束碳纖維和小絲束碳纖維。前者主要應(yīng)用于工業(yè)，后者主要應(yīng)用于國防軍工、航空航天、體育等領(lǐng)域。

2、碳纖維產(chǎn)能區(qū)域分布-美、中、日三足鼎立

2020年，美國、日本和中國碳纖維理論產(chǎn)能占全球碳纖維理論產(chǎn)能的59.8%。其中，美國的碳纖維理論產(chǎn)能最大，為3.73萬噸;排行第二的是中國，其碳纖維理論產(chǎn)能為3.62萬噸;排名第三的是日本，碳纖維理論產(chǎn)能為2.92萬噸。

3、全球碳纖維主要生產(chǎn)企業(yè)碳纖維制造工藝的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì)：東麗+卓爾泰克遙遙領(lǐng)先，多家中國企業(yè)產(chǎn)能超五千噸

從產(chǎn)能角度看，2020年全球碳纖維領(lǐng)先企業(yè)集中在日本和美國。東麗與卓爾泰克合并后，總產(chǎn)能在業(yè)內(nèi)一枝獨(dú)秀，達(dá)約5.37萬噸。西格麗集團(tuán)和三菱麗陽分別位列第二和第三，產(chǎn)能分別為1.48萬噸和1.41萬噸。近年來隨著中國碳纖維技術(shù)的發(fā)展，中國的民族企業(yè)產(chǎn)能也有所上升，其中中復(fù)神鷹的產(chǎn)能在2020年實(shí)現(xiàn)超過8000噸，江蘇恒神的產(chǎn)能超過5000噸，光威復(fù)材的產(chǎn)能超過5000噸。

4、小絲束碳纖維市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局：日企優(yōu)勢(shì)較大

在全球小絲束碳纖維市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，日本企業(yè)占據(jù)了優(yōu)勢(shì)地位。2020年，日本東麗、東邦和三菱三家占據(jù)全球小絲束碳纖維市場(chǎng)份額的49%。其中日本東麗產(chǎn)能占全球小絲束總產(chǎn)能的26%，東邦小絲束產(chǎn)能占全球小絲束總產(chǎn)能的13%，三菱占10%排第三。

5、大絲束碳纖維市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局：美國赫氏穩(wěn)占第一

大絲束碳纖維主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，包括：紡織、醫(yī)藥、衛(wèi)生、機(jī)電、土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等。2020年，在大絲束碳纖維的領(lǐng)域中，美國赫氏為全球主要的大絲束供應(yīng)商，占據(jù)了58%的全球市場(chǎng)份額，其次是占比31%的德國SGL，和占比9%的日本三菱，其碳纖維制造工藝的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì)他企業(yè)僅占剩余的2%。

—— 更多行業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)請(qǐng)參考前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國碳纖維行業(yè)深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》

碳纖維 發(fā)展前景

前景不錯(cuò)，據(jù)《2016-2021年中國碳纖維行業(yè)深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，國內(nèi)外碳纖維產(chǎn)業(yè)差距大,國內(nèi)碳纖維企業(yè)面臨較大困境。我國企業(yè)無論從企業(yè)總產(chǎn)能還是單線產(chǎn)能都與國外相差很大,國內(nèi)碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性不夠、產(chǎn)業(yè)鏈不完整,碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)能力、制備成本以及應(yīng)用范圍都與國外有不少差距。由于國外碳纖維企業(yè)在制備工藝和生產(chǎn)設(shè)備方面領(lǐng)先我國較多,他們對(duì)我國低價(jià)傾銷國內(nèi)能夠量產(chǎn)的T300 和T700,致使國內(nèi)碳纖維企業(yè)的成本和市場(chǎng)價(jià)格出現(xiàn)了倒掛,從而虧損嚴(yán)重。我國碳纖維企業(yè)多達(dá)30 多家,產(chǎn)業(yè)集中度低、同質(zhì)化嚴(yán)重,產(chǎn)品質(zhì)量與國外差距較大,一時(shí)難以與國外大企業(yè)抗衡。

報(bào)告顯示，國內(nèi)目前碳纖維產(chǎn)能超過2 萬噸,但多為低質(zhì)量重復(fù)建設(shè),單線產(chǎn)能小,“十三五”期間又規(guī)劃了1.5 萬噸左右的產(chǎn)能,而2015 年國內(nèi)碳纖維需求量在1.5 萬噸左右,國外企業(yè)占據(jù)了80%的市場(chǎng),2020 年,國內(nèi)碳纖維的市場(chǎng)空間為2~3 萬噸,所以國內(nèi)碳纖維產(chǎn)能面臨過剩,單線產(chǎn)能小、產(chǎn)品質(zhì)量低的碳纖維企業(yè)會(huì)面臨關(guān)停,能夠布局全產(chǎn)業(yè)鏈、單線產(chǎn)能上千噸的碳纖維生產(chǎn)龍頭會(huì)受到投資者青睞;碳纖維設(shè)備的制造產(chǎn)業(yè)和碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)在盈利能力上比碳纖維及復(fù)合材料的制備產(chǎn)業(yè)樂觀很多,國產(chǎn)碳纖維設(shè)備已逐漸能滿足碳纖維生產(chǎn)的需求。

受益于國內(nèi)對(duì)千噸級(jí)碳纖維生產(chǎn)線的較多需求,碳纖維設(shè)備會(huì)比碳纖維及復(fù)合材料更早實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代,碳纖維復(fù)合材料在海洋工程、航天軍工以及汽車等工業(yè)領(lǐng)域都體現(xiàn)了較好的應(yīng)用前景,同時(shí)碳纖維復(fù)合材料的價(jià)格在降低,所以碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用會(huì)越來越廣。

關(guān)于碳纖維制造工藝的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì)和碳纖維的發(fā)展與應(yīng)用的介紹到此就結(jié)束了，不知道你從中找到你需要的信息了嗎 ？如果你還想了解更多這方面的信息，記得收藏關(guān)注本站。