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碳纤维分类分析研究报告
http://www.tianinfo.com   2018-06-05   天拓咨询发布

    碳纤维是指通过将有机母体纤维经高温、惰性气体保护下,以高温分解与碳化的方式形成含碳量大于90%以上的一种无机高分子材料。碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶丝碳纤维,其中前两者在工业生产中较为普遍,PAN 纤维原丝制成的高性能碳纤维因其生产工业简单、制得碳纤维性能优良,产量占据全球碳纤维市场的90%以上;而粘胶纤维制得的高性能碳纤维,生产难度较大、设备复杂,未被广泛使用。碳纤维的制造工艺分为三步:一般用聚丙烯腈、人造丝、粘胶纤维等聚合物原料,先在200-300 摄氏度的空气中进行预氧化,继而在氩气等惰性气体的保护下,用约1700 摄氏度的高温完成驱除非非碳原子的过程(碳化),最后加热到2600-3000 摄氏度成碳纤维。碳纤维的长丝可能被进一步处理以提高品质性能,最后卷绕到筒管上。碳纤维通常与其他材料结合以形成复合材料,当混合塑料树脂并缠绕或模塑后具有非常高的强度-重量比的碳纤维增强聚合物(CFPR),通常也被称为碳纤维材料。
    表1:三种主要碳纤维对比


    碳纤维按照原丝类型分类可分为PAN 基、沥青基和粘胶基等,按照制造条件可以分为碳纤维(800-1600 摄氏度)、石墨纤维(2000-3000 摄氏度)、活性碳纤维以及气相生长碳纤维等。因为碳纤维的最大应用价值是其优良的力学性能,目前一般按照碳纤维的力学性能进行分类,包括高强型(GQ)、高强中模型(QZ)、高模型(GM)、高强高模型(QM)等。东丽作为全球碳纤维的龙头企业,公司的产品代码成为业界通用指标,一般公司产品分为高强“T”系类和高模“M”系列,数字越大对应的性能等级越高,如T800、T1000 等。也有时会按照丝束大小划分为小丝束和大丝束,通常将24000 根细丝及以下组成的碳纤维称为小丝束碳纤维,主要应用于国防军工等高科技领域,以及航空航天、体育休闲用品等;将48000 根以上细丝组成的碳纤维称为大丝束碳纤维,主要应用于工业领域如纺织、机电、土木建筑、交通运输和能源等,小丝束碳纤维具有更好的性能,大丝束碳纤维具有更低的制造成本。
    图1:碳纤维的制造工艺


    碳纤维具有诸多优良特性:密度小,仅为刚的四分之一;强度大,碳纤维的强度为500MPa 左右,钢材的密度为340MPa,同等强度的碳纤维的质量仅为钢材的六分之一;摩擦系数小,耐磨性好;化学性质稳定,耐腐蚀;导热率高,热膨胀系数小;导电性好,具有电磁屏蔽特性。这些优良特性使得碳纤维成为航空航天和军事尖端技术中必不可少的新材料,同时也被视为一般工业更新换代的基础材料。但碳纤维也具有以下不足之处:抗冲击能力较差,易损伤,易于强酸发生氧化反应,与金属材料复合时易使金属碳化、渗碳和电化学腐蚀,因此碳纤维在应用时必须考虑这些因素。
    目前,国际碳纤维市场被日、美、欧洲的龙头企业所垄断,作为全球最大的碳纤维生产国,日本在小丝束碳纤维方面占有大量市场份额,日本的东丽、帝人东邦、三菱丽阳目前占有全球丙烯腈基碳纤维50%以上的市场份额。美国和欧洲的碳纤维企业则在大丝束碳纤维市场占有大量份额,以赫式(Hexcel)、SGL 等公司为典型,其中赫式为空客提供多种高端碳纤维复合材料制品。从全球的市场竞争格局来看,碳纤维行业的集中程度较高,全球产能被行业龙头瓜分,碳纤维市场的技术壁垒极高,2016 年全球碳纤维的理论产能13.9 万吨,2016 年全球碳纤维理论产能为13.9 万吨,东丽、东邦、三菱、西格里(SGL)产能合计8.1 万吨,占全球总产能的48%,其中日本东丽收购美国卓尔泰,总产能达到4.26 万吨,占全球31%,拥有全球最大的小丝束碳纤维产能。
    表2:2015 全球主要碳纤维生产企业产能情况

 

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