碳纖維制造工藝的技術(shù)關(guān)鍵點的研究進展及未來發(fā)展趨勢(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)鍵點的研究進展及未來發(fā)展趨勢的知識，其中也會對碳纖維的發(fā)展與應(yīng)用進行解釋，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，2018年全球碳纖維運用細分領(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
• 2、碳纖維研究進展及發(fā)展現(xiàn)狀
• 3、碳纖維制備工藝
• 4、碳材料的發(fā)展趨勢
• 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

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纖維在高溫下碳化制取。高強、高模CF主要由聚丙烯腈長絲在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)慣對碳纖維進行分類，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;氣相生長碳纖維。

(3)按力學(xué)性能分類：通用級(GP);高性能(HP);期中包括中強型(MT)、高強型(HT)、超高強型(UHT)、中模型(IM)、高模型(HM)、超高模型(UHM)。碳纖維在應(yīng)用時多是作為增強材料而利用其優(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，一般認為纖維的拉伸強度低于1400MPa，拉伸模量小于140GPa，則此種屬于通用級碳纖維范疇。在高性能碳纖維范疇中，對中強、中模、高強、高模、超高強、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起步，但由于相關(guān)知識儲備不足、知識產(chǎn)權(quán)歸屬等問題，發(fā)展緩慢。同時，日本、美國等國家對碳纖維核心技術(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，在較長的一段時間內(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，將碳纖維列為重點研發(fā)項目。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行推廣和應(yīng)用，持續(xù)引導(dǎo)國內(nèi)碳纖維發(fā)展，計劃形成若干家家具有國際競爭力的碳纖維大型企業(yè)集團及若干創(chuàng)新能力強、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)能加速擴張，同時開工率保持穩(wěn)定，新裝置相繼投產(chǎn)，帶動產(chǎn)量增長。2021年我國碳纖維產(chǎn)量達到2.43萬噸，同比增長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、日本等國家對中國實行出口限制，導(dǎo)致中國碳纖維需求長期被抑制。近幾年由于國內(nèi)技術(shù)突破，刺激了對碳纖維的使用。近年來我國碳纖維需求量呈不斷增長趨勢，2017-2021年，我國碳纖維需求量呈不斷上升趨勢，2021年中國碳纖維需求量6.24萬噸，同比增長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)展趨勢下，預(yù)計風(fēng)電葉片領(lǐng)域碳纖維的需求將持續(xù)增加。

行業(yè)競爭格局

——區(qū)域競爭格局：江蘇省和廣東省是主要碳纖維消費省份

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

——企業(yè)競爭格局：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;第三梯隊企業(yè)有太銅銅料、蘭州藍星，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)展前景及趨勢預(yù)測

——市場走向良性健康發(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)量及性價比相對較低。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)將逐步實現(xiàn)進口替代，企業(yè)盈利能力有望逐步恢復(fù)，市場走向良性健康發(fā)展道路。

尤其是在***正式發(fā)布的《中國制造2025》中，對我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和跨越發(fā)展作了整體部署，明確了建設(shè)制造強國的戰(zhàn)略任務(wù)和重點，選擇10大優(yōu)勢和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)作為突破點，力爭到2025年達到國際領(lǐng)先地位或國際先進水*。

——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，碳纖維行業(yè)將出現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：

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)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》。

碳纖維研究進展及發(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，2018年全球碳纖維運用細分領(lǐng)域中風(fēng)電葉片葉片和航天國防領(lǐng)域最多，分別達到22000噸、21000噸。而增長最為顯著的是汽車零部件領(lǐng)域，2013-2018年需求復(fù)合增長率達到33%。

從全球市場看，2018年全球市場碳纖維需求為9.26萬噸，預(yù)計在2020年全球需求將達到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。

從產(chǎn)能的角度來看，全球碳纖維市場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，中國碳纖維需求量一直維持穩(wěn)步上升趨勢，2018年國內(nèi)碳纖維市場需求為3.1萬噸，同比增長32%，預(yù)計未來年復(fù)合增長率為12%，在2020年國內(nèi)市場需求將達到3.89萬噸。

目前國內(nèi)T300級碳纖維性能達到國際水*，主要運用于航空航天及體育休閑等領(lǐng)域;T700級碳纖維已建成千萬噸級生產(chǎn)線，低成本干噴濕紡T700級碳纖維已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn);中國首條千噸級T800原絲生產(chǎn)線由中復(fù)神鷹生產(chǎn)線2016年投產(chǎn);但T800級以上的碳纖維國內(nèi)企業(yè)還處于小規(guī)模試驗，技術(shù)相對東麗還是存在較大差距。中國在T800級別以上的碳纖維生產(chǎn)中都還是處于小批量試驗生產(chǎn)階段，而國外的東麗公司已經(jīng)實現(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。

——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)劃分析報告》。

碳纖維制備工藝

? ? ? ? 碳纖維(Carbon Fibre，簡稱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，既不屬于無機纖維，也不屬于有機纖維。碳纖維及其復(fù)合材料具有高比強度，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現(xiàn)了工業(yè)化。

? ? ? ? 用粘膠基碳纖維增強的耐燒蝕材料可以制造火箭、導(dǎo)彈和航天飛機的鼻錐及頭部的大面積燒蝕屏蔽材料、固體發(fā)動機噴管等，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剎車片、汽車剎車片、放射性同位素能源盒，也可增強樹脂做耐腐蝕泵體、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僅44.5%實際制造過程熱解反應(yīng)中，往往會因裂解不當(dāng)，生成左旋葡萄糖等裂解產(chǎn)物而 實際碳收率僅為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特的優(yōu)點，由于含堿金屬、堿土金屬離子少，飛行過程中燃燒時產(chǎn)生的鈉光弱，雷達不易發(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)在惰性氣體保護下加熱到400℃，然后將所制PVC瀝青進行熔融紡絲，之后在空氣中加熱到260℃進行不熔化處理，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年產(chǎn)200t通用級瀝青基碳纖維生產(chǎn)線，1995年已投產(chǎn)，同時還引進了年產(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45%以上，而且因為生產(chǎn)流程，溶劑回收，三廢處理等方面都比粘膠纖維簡單，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)和原絲碳化兩個過程。?

? ? ? ? 原絲生產(chǎn)過程主要包括聚合、脫泡、計量、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)進行，任何一道工序出現(xiàn)問題都會影響穩(wěn)定生產(chǎn)和碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量。全過程流程長、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，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，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，直接進入市場，并已在許多領(lǐng)域得到實際應(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)單元進一步進行交聯(lián)、縮聚，且伴隨熱解，在向亂層石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的同時釋放出許多小分子副產(chǎn)物。同時，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，通過對碳纖維的進一步石墨化還可以獲得高模量石墨纖維或高強度高模的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。

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

? ? ? ? 1、實現(xiàn)原絲 高純化、高強化、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)驗的總結(jié)。

? ? ? ? 2、雜質(zhì)缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強度的根本措施，也是科技工作者研究的熱門課題。在某種意義上說，提高強度的過程實質(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、無氧狀態(tài)下進行的微波、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行再次熱交換，利于節(jié)能，如日本東麗公司的千噸級預(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)進入。為控制進入爐膛內(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，解壓門自動打開卸荷。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。中部爐體部分在操作側(cè)設(shè)有移動門，移動門可正向移出，移動門上設(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%以上的無機碳纖維，實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備是碳化爐。工程實踐與研究表明：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)。對于百噸級碳纖維生產(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)幾個發(fā)達國家之一，同時又是世界上最大的丙烯腈基碳纖維消費國，約占世界總消費量的 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)達國家和我國的臺灣省。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

發(fā)展趨勢：前景廣闊

現(xiàn)今碳纖維制造工藝的技術(shù)關(guān)鍵點的研究進展及未來發(fā)展趨勢，碳纖維行業(yè)總體技術(shù)尚不成熟穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量及性價比相對較低。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)鍵點的研究進展及未來發(fā)展趨勢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)將逐步實現(xiàn)進口替代，企業(yè)盈利能力有望逐步恢復(fù)，市場走向良性健康發(fā)展道路。

尤其是在***正式發(fā)布的《中國制造2025》中，對我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和跨越發(fā)展作了整體部署，明確了建設(shè)制造強國的戰(zhàn)略任務(wù)和重點，選擇10大優(yōu)勢和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)作為突破點，力爭到2025年達到國際領(lǐng)先地位或國際先進水*。

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

——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)鍵點的研究進展及未來發(fā)展趨勢，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。從細分市場看，小絲束碳纖維市場中，日本企業(yè)占據(jù)競爭優(yōu)勢。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份額的49%。大絲束碳纖維市場中，美國赫氏領(lǐng)先全球，占據(jù)了58%的全球市場份額。

1、碳纖維的定義與分類

碳纖維是由有機纖維經(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，是新一代增強纖維。同時由于其獨特的高強高模優(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)鍵點的研究進展及未來發(fā)展趨勢：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)一枝獨秀，達約5.37萬噸。西格麗集團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、小絲束碳纖維市場競爭格局：日企優(yōu)勢較大

在全球小絲束碳纖維市場競爭中，日本企業(yè)占據(jù)了優(yōu)勢地位。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、大絲束碳纖維市場競爭格局：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、機電、土木建筑、交通運輸和能源等。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)鍵點的研究進展及未來發(fā)展趨勢他企業(yè)僅占剩余的2%。

—— 更多行業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)請參考前瞻產(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)劃分析報告》

碳纖維 發(fā)展前景

前景不錯，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,他們對我國低價傾銷國內(nèi)能夠量產(chǎn)的T300 和T700,致使國內(nèi)碳纖維企業(yè)的成本和市場價格出現(xiàn)了倒掛,從而虧損嚴(yán)重。我國碳纖維企業(yè)多達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,一時難以與國外大企業(yè)抗衡。

報告顯示，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,2020 年,國內(nèi)碳纖維的市場空間為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)對千噸級碳纖維生產(chǎn)線的較多需求,碳纖維設(shè)備會比碳纖維及復(fù)合材料更早實現(xiàn)進口替代,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,同時碳纖維復(fù)合材料的價格在降低,所以碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用會越來越廣。

關(guān)于碳纖維制造工藝的技術(shù)關(guān)鍵點的研究進展及未來發(fā)展趨勢和碳纖維的發(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。