國外碳纖維復合材料產業開發方向實談（二）

目前，世界每年生產乘用車5千萬輛，若包括卡車和公共汽車為7千萬輛，隨著中、印等國汽車工業的快速發展，不久世界汽車的年產量確可能超過1億輛。另外，目前世界PAN-CF的年產量只有數萬噸，由于CFRP成本高、難加工、成型速度慢及還受再生問題的限制，只能用于航空航天、體育用品和工業產業領域，要想用于汽車上，最重要的是盡快開發適用于熱塑性樹脂（如聚丙烯等）的具有表面活性的CF以及其CFRTP超高速成型技術和二次加工技術，其次當CF需求量超過百萬噸時，就要求開發以生物質為原料的CF，盡管目前還有一定難度。再次，當達到這么大規模時，需要開發CFRP的再生和CF高度再利用技術，還要解決這些材料和有關成型加工的評價和標準化問題。圖7示出CF的潛在需求及相應所需的重要技術，供參考。
在汽車剎車片等方面，住友貝克萊特公司開發CF增強酚醛樹脂“VYNTEC”制的剎車片，取代原用的CF增強PEEK或聚酰亞胺，其密度只有1.6g/cm³，相當于鐵的1/5，比CF/PEEK輕，而且耐磨性和高溫下的力學強度更好，在200℃下的抗彎曲強度為200MPa，而CF/PEEK < 100 MPa。此外還用于汽車的止推環、節流閥、主體齒輪等。Victrex日本公司則開發超薄的CF/PEEK預浸料，厚度<40μm，相當于一般CF預浸料（120～200 μm）的1/3～1/5，將用于飛機和汽車的薄板等。作為CFRP的新用途，還有汽車的燃料罐。 123456
3、風力發電葉片
隨著風力發電設備的大型化，要求減輕設備負荷，為此要求采用適應于大型葉片輕量化和高剛性化的CF，為此除已大量采用的大絲束PAN-CF外，日鐵復合材料公司已正式生產銷售高性能瀝青CF制的風電大型圓柱翼根，代替以往的螺旋槳，通過在螺旋圓柱翼上所安裝的螺旋狀葉片，可使風車高效捕風并旋轉，即使弱風也能發揮較高的發電穩定性，而且噪音等級極低。
德國拜耳材料科學公司現正著手建設世界最大的多層碳納米管（MWCNT）的生產裝置，規模為200t/a，商品名為“BAYTUBES”，其純度超過95%，而且可以穩定再現。用它增強的塑料或金屬鋁，力學強度高，與以往的材料相比，密度是鋼鐵的1/3而強度相當，質量卻只有鋼的50%，因此可改善能效和CO₂排放量的平衡，在某些領域取代鋼、鈦等特種金屬及CFRP。在風力發電領域，若在大型CF與玻璃纖維增強的環氧樹脂葉片中加入上述MWCNT，則與未加入CNT的材料相比，達到同樣的強度時，質量減輕30%，抗沖擊強度提高10%～30%，耐疲勞性也提高50%～200%，耐久性好，可延長葉片的壽命。為此，該公司正與加拿大阿爾基安公司、德國PEAK及ZOZ公司協作來開拓各方面的市場，包括CNT增強鋁的高性能材料、體育用品等，預期10年內的銷售額目標為20億美元。 123,123
據報道，2005～2008年全球CF風電葉片的平均增長率為11808.6 MW/a，相當于每年增設5904座2MW風機。若2kW風電機組每片葉片以12t計，需玻纖6t，CF占10%，則每片葉片的CF用量為0.6t，每座風機需1.8t CF，則年均需求量估計為10627t。目前風電用大絲束CF的提供者為美國ZOLTEK公司，由于瑞典復合材料研究所及Oxcon AB公司開發了能將12k～48k CF展開成超薄（48～80 g/m²）的扁帶，再經緯紗方式編織成織物，它極適用于單向交叉鋪層，經測試其CFRP性能與采用1k～6k CF相同。為此，這種技術的開發無疑有助于大絲束CF的擴大應用。正是由于其市場的不斷擴大，ZOLTEK的產能計劃由2008年的13000t/a擴大至2010年的15500t/a。德國SGL集團的大絲束PAN-CF也將從2008年的7400t/a，擴大到2010年的14000t/a。
由于我國風電的需求量很大，許多國際知名企業如Vestas、Repower、Gamesa、EHN、Suzulon、Nordex、GE及LM等，都相繼登陸中國，這將大大提升我國風電的技術水平，但同時又將加劇企業間的競爭。 copyright 123456
4、CFRP寬幅工業羅拉
日本三菱樹脂公司最近實現了采用其高性能瀝青CF“Dialead”制成的耐熱型工業羅拉的批量生產，商品名“カ-ボリ-ダ-”。這種新產品即使在高溫條件下也不會發生因熱膨脹而產生垂度的現象，并維持高速旋轉的性能，從而可以提高在制造過程中使用高溫爐生產高功能膜等的效率，現已向塑料膜、金屬膜、機械等廠家出售，預期到2011年的銷售額將達到10億日元。這種高耐熱的CFRP羅拉的熱膨脹系數基本上是零，質量只有鋁制品的2/3，而剛性為鐵的3倍，在100～200 ℃的高溫爐內使用時，其旋轉性能與在室溫下幾乎沒有兩樣，例中長3m的羅拉振動精度，在室溫下與爐內溫度150℃下都是0.05mm以下，為此可以提高液晶電視和太陽電池所需高功能膜的生產效率，并使金屬箔的搬運和處理高精度化。日本石墨纖維公司的高性能瀝青CF（180t/a）復合材料也應用于印刷機械和制膜機的寬幅羅拉方面。

5、高壓氣瓶
如所周知，壓縮天然氣瓶已在汽車上大量使用，而最近伊纖維公司開發了燃料電池汽車所需的CFRP高壓氫氣瓶，內膽采用鉻鉬不銹鋼，實現了高強度和低成本，并取得了高壓氣保安協會的認定。該公司現每年生產85萬個高壓氣體容器，是世界最大生產廠家，同時已累積生產15萬個汽車用的壓縮天然氣瓶。這次所開發的壓縮氫氣瓶因選用CrMo鋼內膽，耐氫氣發脆特性提高了，可耐超過11250次高壓充填氫氣，與采用鋁合金膽相比，抗拉伸強度為其3倍，由于容器壁薄了，其質量與鋁制品同級，而成本低50%以上。另外，東邦Tenax的CF已用于吸氧器制品上。
6、結束語
根據JEC“復合材料工業的結構與動態”一文的預測，2005年全球復合材料的市場為530億歐元，到2015年預期將增長至880億歐元，而不同國家和地區的市場情況示于圖8，其中中國的市場增長最快，其次是亞太地區，歐美的增長點主要在航空、風能、船艇及建筑業方面，目前越來越多的國外復合材料廠家登陸我國，一批國外汽車廠商在中國設立了研發中心，以達到本土化、降低生產成本和占領一席市場的目的。另據CFRP知名專家Tony Roberts在其著作“2006～2010年全球戰略市場評估”中預測，全球CFRP的產值將從2006年的99億美元增至2010年的136億美元，到2025年可望超過250 億美元，其中波音和空客到2010年的小絲束PAN-CF的用量，將占全球的15%～20 %，其次的大型用戶是風能葉片，因此這兩大應用領域仍是未來CF的主導市場。表1示出全球2007～2012年一般工業領域對CF的需求情況。我國目前正大規模發展風能，但迄今為止仍采用玻璃纖維復合材料（GFRP），今后隨著葉片的大型化，勢必要發展混雜的復合材料制品，即葉片的加強筋及其圓柱形翼根采用CFRP，而其它部位采用GFRP，只有特大型葉片會考慮采用全CFRP。此外，我國現正研制大型飛機，這對國內CF市場將是巨大的推動力。另外，電纜的CFRP加強芯材也將是我國的大市場，因為高壓輸電電纜將不斷延伸至邊遠地區。總之，到2020年我國勢必將成為CF及其CFRP制品的生產大國。

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表1 2007～2012年一般工業領域對CF的具體需求 t/a

年份	短切纖維	壓力容器	風能設備	汽車	土木工程	船舶工業	織物	其它	合計
2007	4700	2600	3300	1400	1200	1000	700	5100	20000
2008	5000	3300	3600	1800	1400	1200	800	6400	23500
2009	5400	4100	3800	2300	1600	1200	800	7100	26300
2010	5800	4700	4100	3000	1800	1200	900	7700	29200
2011	6100	5000	4400	3200	2000	1300	1000	7600	30600
2012	6600	5300	4600	3400	2000	1300	1100	8500	32800

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來源：復材在線