擁有高強(qiáng)度高模量等一系列優(yōu)勢(shì)、被譽(yù)為“新材料之王”的碳纖維備受國(guó)家重視。近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)了眾多政策，支持碳纖維生產(chǎn)制備，推動(dòng)碳纖維行業(yè)發(fā)展。在十四五規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中，國(guó)家提出要加強(qiáng)碳纖維等高性能纖維及其復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用。此外，工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展改革委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于化纖工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》，到2025年，規(guī)模以上化纖企業(yè)工業(yè)增加值年均增長(zhǎng)5%，化纖產(chǎn)量在全球占比基本穩(wěn)定。形成一批具備較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的龍頭企業(yè)，構(gòu)建高端化、智能化、綠色化現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，全面建設(shè)化纖強(qiáng)國(guó)。政策大力扶持為我國(guó)碳纖維行業(yè)的發(fā)展添磚加瓦。
技術(shù)+成本+量產(chǎn)
口罩疫情影響這兩年，全球運(yùn)輸效率下降，再加上國(guó)外對(duì)我國(guó)進(jìn)口限制，國(guó)內(nèi)碳纖維需求供不應(yīng)求，國(guó)產(chǎn)化碳纖維發(fā)展迅猛，成功的完成了高性能大絲束規(guī)模面世、小絲束干噴濕紡性能提升、熱塑性連續(xù)碳纖維的量產(chǎn)替代等技術(shù)突破，國(guó)產(chǎn)碳纖維替代真正快速布局，技術(shù)迭代下更高性能的碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量得到提升。
小絲束的技術(shù)突破
小絲束碳纖維在航空航天、國(guó)防軍工等高附加值的領(lǐng)域中有更好的性能表現(xiàn)。在新世界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021-2026年中國(guó)小絲束碳纖維行業(yè)市場(chǎng)深度調(diào)研及發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告》中看到，整個(gè)的小絲束品牌主要就是日本企業(yè)，占據(jù)了市場(chǎng)50%份額�，F(xiàn)如今的國(guó)產(chǎn)小絲束碳纖維突破了濕法工藝，成功的完成了干噴濕紡的技術(shù)提升。
相比較傳統(tǒng)的濕法工藝，干噴濕紡的碳纖維絲束中分子排列更加整齊，纖維表面更光滑，強(qiáng)度性能也更好，并且整個(gè)的生產(chǎn)效率也提升了數(shù)倍。一定程度上彌補(bǔ)小絲束碳纖維的市場(chǎng)需求。
大絲束的規(guī)模生產(chǎn)
大絲束的生產(chǎn)主要圍繞規(guī)�；a(chǎn)以及成本規(guī)劃。近年來(lái)大絲束碳纖維進(jìn)展顯著，一方面是降低原絲成本，原絲成本占比較高，約占總生產(chǎn)成本的50%。原絲生產(chǎn)過程是將丙烯腈單體聚合制成紡絲原液，然后紡絲成型。丙烯腈價(jià)格受原油與供需關(guān)系影響，未來(lái)隨著原油價(jià)格下降與供 需關(guān)系調(diào)整，原絲價(jià)格有下降趨勢(shì)。此外，隨著聚合、原液、紡絲三大生產(chǎn)環(huán)節(jié) 技術(shù)提升，丙烯腈及油劑等原材料消耗量將減少，原絲生產(chǎn)效率提高。
另外就是在大絲束碳纖維碳化上著手，原絲與碳絲轉(zhuǎn)化比的極限值約為1.35：1，深入開展原絲的技術(shù)，來(lái)提高轉(zhuǎn)化效率。轉(zhuǎn)化效率微小的提升帶來(lái)的是大幅減少原絲的高額采購(gòu)成本。此外，碳化過程中需要通過高溫?zé)?3000℃，需要消耗大量能源。由于轉(zhuǎn)化效率提高，單位能耗也相應(yīng)下降。目前生產(chǎn)1 噸碳絲大約需花費(fèi)2 噸電，隨著技術(shù)升級(jí)，能源耗費(fèi)的成本也有望下降。
熱塑性碳纖維的量產(chǎn)
在“第二十四屆中國(guó)國(guó)際復(fù)合材材工業(yè)技術(shù)展覽會(huì)”上看到國(guó)內(nèi)的連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料單向帶已成功量產(chǎn)，比如此次展會(huì)上的智上新材整個(gè)就是展出自主研發(fā)的T700級(jí)、T800級(jí)的連續(xù)碳纖維熱塑性單向帶以及層壓板產(chǎn)品。打破了國(guó)內(nèi)連續(xù)碳纖維熱塑性單向帶一直停滯不前的現(xiàn)狀，現(xiàn)在已經(jīng)步入正軌，并且實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)該連續(xù)碳纖維單向帶的量產(chǎn)，也就意味著能夠在更高性能需求市場(chǎng)中可以進(jìn)行應(yīng)用。
為什么研究連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料，這是因?yàn)樘祭w維材料在很多高尖端領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，比如軍工、航空航天等，直接關(guān)系到國(guó)防軍事實(shí)力，這也是為什么國(guó)家出臺(tái)政策來(lái)進(jìn)行該材料研發(fā)的重要原因。
現(xiàn)如今環(huán)氧樹脂基碳纖維的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但是在更多性能需求上面，研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)熱固性樹脂在整個(gè)碳纖維材料中對(duì)性能就有很大的影響，不能完全把碳纖維絲束的整體性能體現(xiàn)出來(lái)，這個(gè)時(shí)候就想要通過熱塑性樹脂取締傳統(tǒng)熱固性樹脂。相比較傳統(tǒng)的熱固性環(huán)氧樹脂，熱塑性樹脂的性能優(yōu)勢(shì)更高，熱塑性樹脂+碳纖維的復(fù)合材料就有了更深更廣的應(yīng)用。
在連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的制備難度非常高，這里面涉及到材料學(xué)、高分子化學(xué)、紡織學(xué)、機(jī)械自動(dòng)化等多個(gè)學(xué)科，需要融會(huì)貫通，然后再結(jié)合實(shí)際的工序工藝以及配比參數(shù)等多套方案中不斷的科研，每個(gè)參數(shù)方案的不同，在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用的性能上有非常直觀的區(qū)別，這里面就需要一遍又一遍的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要大量的時(shí)間以及資金的支撐，也需要堅(jiān)定不移的信心。
碳纖維在力學(xué)性能方面，兼有碳材料的強(qiáng)抗拉力和纖維的柔軟可加工性，高強(qiáng)度、高模量；在物理性能方面，具有耐高低溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、摩擦系數(shù)小和各向異性；在化學(xué)性能方面，具有耐腐蝕性。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展下，碳纖維復(fù)合材料以及產(chǎn)品將會(huì)在更多元化的市場(chǎng)中展露風(fēng)采，現(xiàn)如今國(guó)產(chǎn)碳纖維已經(jīng)在很多領(lǐng)域中替代了進(jìn)口，相信隨著市場(chǎng)的不斷考驗(yàn)下，我們終將不落于人，成功逆襲。
技術(shù)+成本+量產(chǎn)
口罩疫情影響這兩年，全球運(yùn)輸效率下降，再加上國(guó)外對(duì)我國(guó)進(jìn)口限制，國(guó)內(nèi)碳纖維需求供不應(yīng)求，國(guó)產(chǎn)化碳纖維發(fā)展迅猛，成功的完成了高性能大絲束規(guī)模面世、小絲束干噴濕紡性能提升、熱塑性連續(xù)碳纖維的量產(chǎn)替代等技術(shù)突破，國(guó)產(chǎn)碳纖維替代真正快速布局，技術(shù)迭代下更高性能的碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量得到提升。
小絲束碳纖維在航空航天、國(guó)防軍工等高附加值的領(lǐng)域中有更好的性能表現(xiàn)。在新世界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021-2026年中國(guó)小絲束碳纖維行業(yè)市場(chǎng)深度調(diào)研及發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告》中看到，整個(gè)的小絲束品牌主要就是日本企業(yè)，占據(jù)了市場(chǎng)50%份額�，F(xiàn)如今的國(guó)產(chǎn)小絲束碳纖維突破了濕法工藝，成功的完成了干噴濕紡的技術(shù)提升。
相比較傳統(tǒng)的濕法工藝，干噴濕紡的碳纖維絲束中分子排列更加整齊，纖維表面更光滑，強(qiáng)度性能也更好，并且整個(gè)的生產(chǎn)效率也提升了數(shù)倍。一定程度上彌補(bǔ)小絲束碳纖維的市場(chǎng)需求。
大絲束的生產(chǎn)主要圍繞規(guī)�；a(chǎn)以及成本規(guī)劃。近年來(lái)大絲束碳纖維進(jìn)展顯著，一方面是降低原絲成本，原絲成本占比較高，約占總生產(chǎn)成本的50%。原絲生產(chǎn)過程是將丙烯腈單體聚合制成紡絲原液，然后紡絲成型。丙烯腈價(jià)格受原油與供需關(guān)系影響，未來(lái)隨著原油價(jià)格下降與供 需關(guān)系調(diào)整，原絲價(jià)格有下降趨勢(shì)。此外，隨著聚合、原液、紡絲三大生產(chǎn)環(huán)節(jié) 技術(shù)提升，丙烯腈及油劑等原材料消耗量將減少，原絲生產(chǎn)效率提高。
另外就是在大絲束碳纖維碳化上著手，原絲與碳絲轉(zhuǎn)化比的極限值約為1.35：1，深入開展原絲的技術(shù)，來(lái)提高轉(zhuǎn)化效率。轉(zhuǎn)化效率微小的提升帶來(lái)的是大幅減少原絲的高額采購(gòu)成本。此外，碳化過程中需要通過高溫?zé)?3000℃，需要消耗大量能源。由于轉(zhuǎn)化效率提高，單位能耗也相應(yīng)下降。目前生產(chǎn)1 噸碳絲大約需花費(fèi)2 噸電，隨著技術(shù)升級(jí)，能源耗費(fèi)的成本也有望下降。
在“第二十四屆中國(guó)國(guó)際復(fù)合材材工業(yè)技術(shù)展覽會(huì)”上看到國(guó)內(nèi)的連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料單向帶已成功量產(chǎn)，比如此次展會(huì)上的智上新材整個(gè)就是展出自主研發(fā)的T700級(jí)、T800級(jí)的連續(xù)碳纖維熱塑性單向帶以及層壓板產(chǎn)品。打破了國(guó)內(nèi)連續(xù)碳纖維熱塑性單向帶一直停滯不前的現(xiàn)狀，現(xiàn)在已經(jīng)步入正軌，并且實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)該連續(xù)碳纖維單向帶的量產(chǎn)，也就意味著能夠在更高性能需求市場(chǎng)中可以進(jìn)行應(yīng)用。
為什么研究連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料，這是因?yàn)樘祭w維材料在很多高尖端領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，比如軍工、航空航天等，直接關(guān)系到國(guó)防軍事實(shí)力，這也是為什么國(guó)家出臺(tái)政策來(lái)進(jìn)行該材料研發(fā)的重要原因。
現(xiàn)如今環(huán)氧樹脂基碳纖維的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但是在更多性能需求上面，研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)熱固性樹脂在整個(gè)碳纖維材料中對(duì)性能就有很大的影響，不能完全把碳纖維絲束的整體性能體現(xiàn)出來(lái)，這個(gè)時(shí)候就想要通過熱塑性樹脂取締傳統(tǒng)熱固性樹脂。相比較傳統(tǒng)的熱固性環(huán)氧樹脂，熱塑性樹脂的性能優(yōu)勢(shì)更高，熱塑性樹脂+碳纖維的復(fù)合材料就有了更深更廣的應(yīng)用。
在連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的制備難度非常高，這里面涉及到材料學(xué)、高分子化學(xué)、紡織學(xué)、機(jī)械自動(dòng)化等多個(gè)學(xué)科，需要融會(huì)貫通，然后再結(jié)合實(shí)際的工序工藝以及配比參數(shù)等多套方案中不斷的科研，每個(gè)參數(shù)方案的不同，在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用的性能上有非常直觀的區(qū)別，這里面就需要一遍又一遍的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要大量的時(shí)間以及資金的支撐，也需要堅(jiān)定不移的信心。
碳纖維在力學(xué)性能方面，兼有碳材料的強(qiáng)抗拉力和纖維的柔軟可加工性，高強(qiáng)度、高模量；在物理性能方面，具有耐高低溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、摩擦系數(shù)小和各向異性；在化學(xué)性能方面，具有耐腐蝕性。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展下，碳纖維復(fù)合材料以及產(chǎn)品將會(huì)在更多元化的市場(chǎng)中展露風(fēng)采，現(xiàn)如今國(guó)產(chǎn)碳纖維已經(jīng)在很多領(lǐng)域中替代了進(jìn)口，相信隨著市場(chǎng)的不斷考驗(yàn)下，我們終將不落于人，成功逆襲。
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