碳纤维研究进展[特选材料]

碳纤维及其复合材料碳纤维及其复合材料主主 要要 内内 容容 碳纤维发展现状碳纤维发展现状2 碳纤维复合材料产业化现状碳纤维复合材料产业化现状3 下游产品的开发建议下游产品的开发建议4碳纤维及其复合材料简介碳纤维及其复合材料简介12一、碳纤维及其复合材料简介一、碳纤维及其复合材料简介 碳纤维特点：碳纤维特点：v高比强度、高比模量高比强度、高比模量v耐高温，使用温度耐高温，使用温度2000，在，在3000 非氧化气氛中不融不软非氧化气氛中不融不软v耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀v热膨胀系数小，约等于零热膨胀系数小，约等于零v热导率高，约为热导率高，约为10140W/(m.K)v摩擦系数小，有自润滑作用摩擦系数小，有自润滑作用v导电性好导电性好v密度小密度小3 按原料分按原料分 v黏胶基碳纤维黏胶基碳纤维(Rayon基基CF)v聚丙烯腈基碳纤维聚丙烯腈基碳纤维(PAN基基CF)v沥青基碳纤维沥青基碳纤维(Pitch 基基CF)4PANCF生产工艺过程生产工艺过程原丝原丝5PANCF生产工艺过程生产工艺过程碳丝碳丝6先进复合材料（先进复合材料（ACM）主要指有较高强度和模量的碳主要指有较高强度和模量的碳纤维、芳纶纤维等纤维与高性能的基体组成的复合材纤维、芳纶纤维等纤维与高性能的基体组成的复合材料。复合材料根据基体可分为料。复合材料根据基体可分为树脂基、金属基、陶瓷树脂基、金属基、陶瓷基基复合材料等。复合材料等。碳纤维复合材料具有碳纤维复合材料具有轻而强，刚而薄轻而强，刚而薄的特点。的特点。成型方法有：手糊法，缠绕法，拉挤法，注射法，真成型方法有：手糊法，缠绕法，拉挤法，注射法，真空带囊热压法等。空带囊热压法等。7二、国际碳纤维发展现状二、国际碳纤维发展现状日本是碳纤维的最大制造国，日本东丽公司、东邦公司、三菱公司生产的PAN基碳纤维占全球产量的70%左右。8发发 展展 历历 程程近近年年来来重重大大突突破破9发发 展展 历历 程程强度强度7.02GPa模量模量296GPa强度强度5.51GPa模量模量296GPa强度强度4.92GPa模量模量231GPaT1000T800HT700ST300强度强度3.54GPa模量模量231GPa10国际碳纤维需求量国际碳纤维需求量11 科技部科技部863碳纤维专项攻关碳纤维专项攻关 国家级碳纤维项国家级碳纤维项目目T-300T-300级碳纤维及原丝中试稳定化研究级碳纤维及原丝中试稳定化研究T-300T-300级碳纤维及原丝百吨级建设级碳纤维及原丝百吨级建设T-700T-700碳纤维及原丝关键技术的研究碳纤维及原丝关键技术的研究 973国家重点基础研究发展规划项目计划国家重点基础研究发展规划项目计划 高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝的结构优化及控制高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝的结构优化及控制12碳纤维出路何在？碳纤维出路何在？成本因素成本因素国内竞争国内竞争国外国外市场冲击市场冲击1、发展高端产品，引领行业、发展高端产品，引领行业2、开发下游产品，抢占先机、开发下游产品，抢占先机 供求关系供求关系三、碳纤维复合材料产业化现状三、碳纤维复合材料产业化现状13航空航空航天航天导弹、雷达、战斗机导弹、雷达、战斗机 高端产品高端产品高端产品高端产品高高 端端 产产 品品141 新型建材新型建材2汽车工业汽车工业3 能源能源4 飞机飞机支柱产业中的广泛应用支柱产业中的广泛应用15新新 型型 建建 材材碳纤维作为新型建材，主要用于建筑补强。碳纤维作为新型建材，主要用于建筑补强。碳纤维碳纤维复合材复合材料料16 汽汽 车车 工工 业业碳纤维复合材料可做翼子板、车顶板、底盘、行李箱碳纤维复合材料可做翼子板、车顶板、底盘、行李箱板、门内板、轮毂、引擎罩、避震弹簧、传动轴结构板、门内板、轮毂、引擎罩、避震弹簧、传动轴结构加强和耐热件等加强和耐热件等 17安装在汽车上的碳纤维储气瓶安装在汽车上的碳纤维储气瓶18能能 源源(一一)大型风力发电机叶片优点如下：大型风力发电机叶片优点如下：1.1.比重小，抗疲劳，机械强度好，寿命长。比重小，抗疲劳，机械强度好，寿命长。2.2.成本低，仅为总机成本的成本低，仅为总机成本的1/31/3。3.3.耐腐蚀、紫外线照射和雷击性能好。耐腐蚀、紫外线照射和雷击性能好。4.4.容易维护，费用低。容易维护，费用低。(二二)燃料电池和太阳能电池燃料电池和太阳能电池 1.1.导电性好，热膨胀系数小导电性好，热膨胀系数小 2.2.高比强度，高比模量，耐热高比强度，高比模量，耐热19飞飞 机机v二次结构件二次结构件 辅翼辅翼 方向舵方向舵 升降舵升降舵v一次结构件一次结构件 主翼主翼 尾翼尾翼 机体机体2003年年2005年年2010年年2109801650民用客机CF需要量（单位吨/年）20飞飞 机机21碳纤维在体育器材方面的应用碳纤维在体育器材方面的应用22类类 别别应用领域应用领域成熟市场成熟市场航空、航天及国防领域：飞机、卫星、火箭、导航空、航天及国防领域：飞机、卫星、火箭、导 弹、雷达等；弹、雷达等；体育休闲品：高尔夫球、渔具、网球拍、羽毛球拍体育休闲品：高尔夫球、渔具、网球拍、羽毛球拍 箭杆、自行车、赛艇等。箭杆、自行车、赛艇等。新兴市场新兴市场碳纤维基增强工程塑料、碳纤维基增强工程塑料、压力容器压力容器、建筑补强建筑补强、风风力发电叶片力发电叶片、摩擦材料、深海油田的钻井平台等摩擦材料、深海油田的钻井平台等待开发市场待开发市场汽车零部件汽车零部件、飞机承力部件飞机承力部件、医疗器械等四、下游产品的开发建议四、下游产品的开发建议原丝的售价是原丝的售价是4040元元5050元元/公斤，碳纤维为公斤，碳纤维为200200元元/公斤，公斤，预浸料为预浸料为500500元元/公斤，每一级的深加工都有高幅度的增值。公斤，每一级的深加工都有高幅度的增值。231.CF天然气钢瓶经济效益天然气钢瓶经济效益按各省均建一个按各省均建一个5万只万只/年规模的年规模的CNG储气瓶厂计算储气瓶厂计算vCF用量用量 2万吨万吨/年年 70亿元亿元/年年v储气瓶储气瓶 140亿元亿元/年年 CNG容器材料比较容器材料比较材料材料容积容积/L/L质量质量/Kg/Kg价格价格/美元美元钢钢7676117117400400铝衬里铝衬里/GFRP74747070800800塑料衬里塑料衬里/GFRP70705050400400塑料衬里塑料衬里/CFRP70702020600600作为作为CNG储气瓶，压力高达储气瓶，压力高达20MPa，使用寿命达，使用寿命达15年。年。1.1.压压 力力 容容 器器24v汽车用压缩天然气瓶（汽车用压缩天然气瓶（CNGCNG）环保天然气替代柴油可以消除汽车尾气中的环保天然气替代柴油可以消除汽车尾气中的NONOX X、SOSOX X等致癌物质，少排等致癌物质，少排放放26%26%的的COCO2 2。减重比钢瓶轻。减重比钢瓶轻4 4倍以上。倍以上。v另外，消防、潜水用的便携式另外，消防、潜水用的便携式空气罐空气罐及化工行业的及化工行业的槽罐车槽罐车也使用碳纤也使用碳纤维复合材料。维复合材料。1.1.压压 力力 容容 器器252.CF 风力发电机经济效益风力发电机经济效益v到到“十一五十一五”期末，全国风能实际总装机容量将达到期末，全国风能实际总装机容量将达到10-12GW，到，到 2020年全国将达到年全国将达到20GW的风电装机容量。因此，中国是风力发电的风电装机容量。因此，中国是风力发电碳纤维复合材料叶片的巨大市场。碳纤维复合材料叶片的巨大市场。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年风能不少于年风能不少于400万万千瓦的规划，千瓦的规划，预计到预计到2010年末，叶片国内市场总量可达约年末，叶片国内市场总量可达约60亿亿元人民币。元人民币。2.2.风风 力力 发发 电电26v叶片是风力发电机的核心部件，造价约占整个设备的叶片是风力发电机的核心部件，造价约占整个设备的1/41/4到到1/31/3。每个叶片大约需要碳纤维。每个叶片大约需要碳纤维1.5-2.01.5-2.0吨吨，我国，我国20202020年年30003000万千瓦万千瓦的风电规划的实现，需要大量的风机叶片，是碳纤维行业一个的风电规划的实现，需要大量的风机叶片，是碳纤维行业一个潜在的巨大市场。潜在的巨大市场。v按西北按西北5 5省每年各产省每年各产1010台计台计 CF CF用量用量 68006800吨吨/年年 23.823.8亿元亿元/年年 风力发电机风力发电机 100100亿元亿元/年年2.2.风风 力力 发发 电电273.新型汽车新型汽车(1)电动汽车电动汽车 电动汽车要延长电池的使用时间，减少充电次数，必须让汽车轻量电动汽车要延长电池的使用时间，减少充电次数，必须让汽车轻量 化。碳纤维复材高强、质轻等特点，完全能满足要求。建议与电动汽化。碳纤维复材高强、质轻等特点，完全能满足要求。建议与电动汽 车厂商合作开发。车厂商合作开发。(2)高级跑车高级跑车 部分高级跑车、高级轿车和特种车辆对速度和安全的追求，碳纤维复部分高级跑车、高级轿车和特种车辆对速度和安全的追求，碳纤维复 材的用量将达到车身材的用量将达到车身50%以上以上，市场潜力巨大。，市场潜力巨大。3.3.汽汽 车车 工工 业业28(3)近年来，我国汽车工业发展迅速，从近年来，我国汽车工业发展迅速，从20002000年到年到20102010年全国汽年全国汽 车保有量将增加车保有量将增加1 1倍。碳纤维复合材料作为一种先进的轻质高倍。碳纤维复合材料作为一种先进的轻质高 强材料，正好迎合了未来汽车轻量化发展方向的要求。强材料，正好迎合了未来汽车轻量化发展方向的要求。中国汽车的需求和预测中国汽车的需求和预测 单位：万辆单位：万辆年份年份汽车产量汽车产量客、货车产量客、货车产量汽车保有量汽车保有量19905146.7551199514611411452000208.8148.31608.92001233.44163.09167120053202102400201045023033003.3.汽汽 车车 工工 业业29 4.4.飞飞 机机vA380客机使用复合材料达客机使用复合材料达25-30t/架，其中架，其中85%是碳纤维增强复合材料是碳纤维增强复合材料(CFRP)，A350飞机中占总质量飞机中占总质量52%的结构组件采用复合材料来制造，主的结构组件采用复合材料来制造，主要是碳纤维增强塑料材料。要是碳纤维增强塑料材料。v2005年底波音和空客交付飞机年底波音和空客交付飞机620架，复合材料用量约架，复合材料用量约1700 t，CFRP约约1020 t。据悉，波音公司近十年将有。据悉，波音公司近十年将有10000架次的市场，未来架次的市场，未来20年全球将年全球将需要需要25000架大型飞机，总价值约架大型飞机，总价值约2万亿美元。万亿美元。v目前我国高端碳纤维目前我国高端碳纤维(T800)和碳纤维复合材料部件一体化成型技术相对落和碳纤维复合材料部件一体化成型技术相对落后，难以制造大尺寸部件。因此，这些材料只用在我国飞机非承力和次承后，难以制造大尺寸部件。因此，这些材料只用在我国飞机非承力和次承力部位，在飞机的主要承力部位应用甚少力部位，在飞机的主要承力部位应用甚少。30复合材料在空客A380飞机上的应用31复合材料在空客A350飞机上的应用32