高性能纖維材料

　高性能纖維是指對外界的物理和化學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、情報信息和軍事裝備等國防軍事和工業領域起著不可替代的作用，是體現一個國家綜合實力與技術創新的標志之一。

　　1、高性能纖維：強國強軍的戰略材料

　　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、氧化劑等化學作用具有特殊耐受能力的一種材料。包括高強度、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械強度和彈性模量，更好的熱穩定性、耐酸堿性及耐候性。是20世紀60年代初發展以來，高分子纖維材料領域發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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　　高性能纖維按化學組成可分為有機和無機高性能纖維兩大類。 123,123

　　有機高性能纖維是由有機聚合物制成的高性能纖維或利用天然聚合物經化學處理而制成的高性能纖維，按其大分子剛柔性可分為剛性鏈聚合物纖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，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。無機高性能纖維一般以礦物質或金屬為原料制成。它同樣具有不同的分子構象或結構，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纖維。

　　1.3、應用集中于工業，其中高強度高模量纖維發展最快

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　　高性能纖維在國防軍事和工業領域應用十分廣泛。尤其是在有特殊要求的工業和技術領域，比如宇宙開發、海洋開發、情報信息、能源交通、土木建筑、軍事裝備、化工和機械等諸多方面，高性能纖維起著不可缺少的作用。

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

　　體現國家綜合實力與技術創新的標志之一。高性能纖維在國內外已作為技術創新、占領技術優勢的重要戰略物質，在國防、軍工、航空、航天、能源、交通等領域具有廣泛的應用。高性能纖維生產技術與裝備水平是體現國家綜合實力與技術創新的標志之一。 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注，是各國的重點發展對象。它們的共同點是不僅都具有高強度高模量的力學性能，更是具備耐腐蝕和阻燃耐熱等特殊性能，在國防軍事、航天航空和工業能源等領域起著至關重要的作用。這三大高性能纖維由于某些性能上的差異，被應用在各個不同領域，發揮著各自無可取代的特長。 copyright 123456

　　1.5、高性能纖維產業發展要求迫切

　　我國傳統化纖產能過剩，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口。其中對位紡綸進口依存度超過95%，碳纖維進口依存度約70%。超高分子量聚乙烯進口依存度也接近40%。未來我國高性能纖維市場存在巨大替代進口的空間。 123,123

　　強國強軍的戰略物資。在軍事裝備現代化、民用產品高性能化、生產過程標準化、技術進步高速化發展的今天，高性能纖維，以及高性能纖維增強的復合材料已在各領域發揮重要作用。正如美國國家材料顧問委員會的科學家在1992指出的那樣：“如果美國要保持在高技術產品上的領先，支持高技術纖維的開發是十分關鍵的。失去在高技術纖維領域的領先地位將使我們失去飛機制造業在國際上的領先優勢，進一步還會削弱我們的汽車工業在國際上的競爭力”。

　　巨大的產業化空間。高性能纖維具有已有的和潛在的市場，除在軍事領域外，它還在航空航天、船舶、海洋工程、電子信息、橋梁建筑、交通運輸、體育娛樂、建筑等方面有廣闊的應用前景。其產業化上可帶動原材料，下可帶動復合材料及其產品的產業鏈的發展，可產生巨大的經濟效益。 123,123

　　纖維強度不足理論十分之一，科學理論上還有進一步發展的需要。纖維在成型過程中大分子鏈沿軸向取向排列形成規整度很高的軸向有序結構，如果纖維中所有的大分子沿軸向整齊排列，其的理論拉伸強度可達200cN/dtex以上。目前即使是高強高模纖維，其強度僅為理論強度的十分之一，在材料中也是比強度最高的。同時也說明我們對傳統的纖維成型理論及其工藝通過創新性研究還會進一步提高纖維強度和模量。 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。它是由有機纖維經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度的工程上應用前景璀璨。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，材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景。而且碳纖維在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，且具有耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱等特性，碳纖維增強的復合材料更是具備出類拔萃的綜合性能。不少人預料，人類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個復合材料廣泛應用的時代。

　　碳纖維目前的主要消費市場在于航空航天、風力發電、運動器材等領域。碳纖維可用來替代銅、鋼鐵等金屬，同時用于國防軍事、機械和建材交通等領域，是軍民兩用的關鍵新材料，在國民經濟中有著重要的戰略地位。

　　2.2、碳纖維全球需求持續增長

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　　全球碳纖維的需求量每年以13%的速度增長。隨著航空航天等領域對碳纖維需求的持續增長，全球碳纖維市場正以每年平均兩位數的速度快速增長。據美國Lucintel公司研究稱，未來幾年全球碳纖維市場將以每年13%的速度繼續增長，預計到2015年全球碳纖維市場將達到23億美元。 內容來自123456

　　航空航天和風電新能源等領域是全球碳纖維的主要增長市場。在航空航天領域，越來越多的商務飛機和軍用飛機的主要或次要結構件模型將應用碳纖維復合材料生產。此外，隨著全球風電市場的逐步壯大，風電葉片也已經成為碳纖維主要的應用領域之一。據《ChemicalWeek》稱，一套機組僅葉片就重18噸，如果用碳纖維，能減輕6噸，還增加了強度和韌性，也增加了發電功率，如此優秀的品質使碳纖維在風電葉片上的應用越來越多，到2014年，每年將有超過5萬噸的碳纖維流入葉片市場領域。

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　　日本三菱麗陽公司調查了2006年到2015年碳纖維在三大領域各自的需求情況及預測，認為自2012年起其需求將以年增長近20%的速度強勁增長。

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　　2.3、碳纖維全球產能分布集中，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)基碳纖維因生產工藝相對比較簡單、技術相對成熟、產品的綜合力學性能好且成本相對較低已經成為碳纖維工業生產的主流產品，約占全球碳纖維總產量的90%，也是當今世界碳纖維發展的主流。 123,123

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

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　　瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維產量較小，用于其他更特殊要求的領域。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，如火箭發動機噴管等。 copyright 123456

　　2.4、碳纖維的國內消費市場潛力巨大 內容來自123456

　　國內的碳纖維市場近年消費增速加快，未來將出現快速擴張態勢，年均增速將達18.41%。據統計，1996-2002年國內碳纖維消費量年均增長超過20%，而近幾年來碳纖維消費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快速擴張態勢，年均增速將達18.41%。預計到2015年，國內碳纖維總需求量將達到13500噸/年。 內容來自123456

　　國內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市場已經趨于飽和，許多產品以進入國際市場為主，未來發展速度將有所減緩，預計2010-2015年期間年均增長速度約4.6%。

　　國內碳纖維的工業及能源市場發展潛力極大。我國碳纖維工業應用的重要潛在市場以混凝土結構物的補強、飛機制造、民用汽車和風力發電為主，未來市場的發展前景較好，預計年均增長率達到53.4%。 123456

　　2.5、國內實際產量嚴重不足，高端碳纖維依賴進口

　　國產碳纖維以低端產品為主。我國碳纖維原絲產能約12080噸，碳纖維產能7081噸，產品以小絲束等低檔產品為主，T300級碳纖維初步實現了國產化。

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　　國內碳纖維產能雖基本滿足自給，但實際產量遠小于產能，不足2000噸。僅從產能方面考察，國內碳纖維生產基本可滿足需求。但由于國內碳纖維產品多數為低端產品，難以滿足下游的性能需求。且國內多數廠商生產不穩定，實際產量遠小于產能。2010年國內碳纖維實際產量不足2000噸，自給率不足30%，因此國內碳纖維需求缺口仍然很大。 copyright 123456

　　國內新增碳纖維產能將出現爆發式增長。經歷過2008年金融危機，2009-2010年我國碳纖維消費量開始攀升，預計在2012年前后進入增長期。目前我國有許多碳纖維項目開始啟動，預計到2015年我國將新增碳纖維原絲產能44000噸，原絲碳化產能21400噸。 本文來自123

　　盡快加快國內碳纖維尤其是高端碳纖維的自主研發和產業化進程，具備重大戰略意義。受供求關系和發達國家對我國實行碳纖維技術及產品雙重封鎖的影響，我國碳纖維市場一直處于受制于人的狀態，甚至某些碳纖維復合材料高端用戶面臨沒有原料可以進行加工的尷尬境地。此外，由于大型航空飛機制造和清潔能源等產業的拉動，世界范圍的碳纖維需求量將持續增加，國際碳纖維供需關系短期之內不會大幅回落。因此，作為重大戰略材料，我國需建設立足國內的碳纖維自主保障能力，以確保高端用戶的需要。 copyright 123456

　　2.6、制約我國碳纖維產業的瓶頸：原絲工藝和碳化設備 123456

　　制約我國碳纖維發展的主要因素有兩個方面，其一是碳纖維原絲質量問題。國產原絲在純度、強度以及均質化方面與國外相比存在較大差距，大大制約了國產碳纖維的產品質量。碳纖維生產工藝流程長，技術關鍵點多，生產壁壘高，是多學科、多技術的集成，其中碳纖維原絲的生產技術更是難中之難。 本文來自123

　　碳纖維原絲的生產難度主要表現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劑的配比等。由于PAN-原絲對碳纖維質量影響巨大，占碳纖維成本比例達到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。在原絲制備工藝中，需要考慮影響原絲質量的因素，比如聚合物的分子量、聚合組分、紡絲拉伸方法等等。第二步是原絲的預氧化和碳化，預氧化處理的目的是使PAN的線性分子鏈轉化為耐熱的梯形結構，使其在高溫碳化時不熔不燃，保持纖維形態。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，再經表面處理、干燥上漿得到金屬光澤的PAN基碳纖維產品。 copyright 123456

　　目前，世界碳纖維的技術格局是：日本壟斷關鍵技術，美國的碳纖維技術處于成長階段，國內則處于起步階段。世界碳纖維技術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家企業技術嚴格保密。而美國赫克塞爾(Hexcel)、阿莫科(Amoco)和卓爾泰克(Zoltek)等其他碳纖維企業均處于成長階段，生產工藝還處于不斷完善階段。國內的碳纖維企業更是處于如何提高原絲生產工藝水平的瓶頸上。

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　　碳纖維技術的發展方向是在降低成本的基礎上提高性能。近年來，國外對碳纖維技術開發研究集中在提高性能、降低成本方面。日本東麗公司根據先進復合材料市場發展的需求，已決定逐步淘汰T300類碳纖維，重點發展拉伸強度為4000-5000MPa、價格與T300基本相當的碳纖維品種，同時由于大絲束碳纖維性價比較高，也開始發展大絲束碳纖維。 123456

　　制約我國碳纖維發展的瓶頸之二是耐高溫材料及大型高溫爐。國產碳化爐采用僅能允許在1400℃以下溫度使用的碳化硅作為發熱體，高溫環境下碳化硅抗負荷強度低，不能制作大尺寸工業規模碳化爐，無法實現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格限制對我國的出口，中等規模的高溫碳化爐進口價格高，導致國產碳纖維裝臵的建設成本過高，無法與進口纖維競爭。

　　2.7、國內碳纖維研發步調加快，小有成果

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　　我國碳纖維研究已經三十多年，T300通用級產業化已取得突破性進展，百噸級和千噸級碳纖維已投入生產；T700級正在進行中試放大，T800級正在實驗室研制。目前國內有一兩個單位的產品品質已超過T300級的性能指標，達到了T400級水平，并且可以小批量生產。這處于上世紀80年代日本東麗公司在碳纖維研發方面的水平。同時由于T300級碳纖維實現了國產化，打破了國外壟斷，迫使進口價格大幅度下降。從總體形勢來看，我國當前處于由T300通用級向高性能的T700和T800發展的過渡期。高性能的T700、T800和T1000級的碳纖維研制尚遠。