碳纖維國外發(fā)展歷程

從19世紀60年代英國化學(xué)家、物理學(xué)家約瑟夫·威爾森·斯萬爵士以碳纖維為發(fā)光體做半真空電燈開始，直到具有優(yōu)異的力學(xué)性能、彈性模量的聚丙烯腈纖維的發(fā)明，歷經(jīng)近百年才讓碳纖維真正走上商業(yè)應(yīng)用、高性能纖維的舞臺。到目前為止，聚丙烯腈基碳纖維仍然占據(jù)碳纖維市場90%的份額。自聚丙烯腈纖維發(fā)明以后，經(jīng)過許多研究者、公司、企業(yè)對碳纖維的不斷研究以及性能的提升，最終在 20 世紀 60、70年代，高性能碳纖維開始商業(yè)化生產(chǎn)。

碳纖維進入高速發(fā)展階段以后，在很長的一段時間，因其高超的性能以及昂貴的價格，“黑色黃金”碳纖維仍然主要應(yīng)用在“奢侈行業(yè)”———軍用市場和高端體育用品市場，普及程度極差。碳纖維的發(fā)展愿景以及高性能應(yīng)用的預(yù)期勢讓投入碳纖維產(chǎn)業(yè)十幾年的企業(yè)們打開思路，一方面加強碳纖維性能提升增加需求，另一方面降低成本擴大市場應(yīng)用。降成本的方案分為兩類，一是產(chǎn)品改善，生產(chǎn)大絲束碳纖維，降低生產(chǎn)過程對設(shè)備成本和工藝的難度。二是提高生產(chǎn)速度，采用干噴濕紡，降本增效，性能提高。工業(yè)級大絲束的應(yīng)用經(jīng)過發(fā)展主要應(yīng)用在汽車、風(fēng)電葉片、光伏產(chǎn)業(yè)晶硅熔煉爐、儲氫瓶等。

目前，德國 Chemnitz 紡織研究所正在對碳纖維的減震性能和靜態(tài)力學(xué)進行結(jié)合，開發(fā)主體為碳纖維、增強材料為其他纖維的混合非織造布的研究，以改善電動汽車電機的外殼。德國 Dralon公司和美國 4M 公司合作研發(fā)出紡織級的大直徑碳纖維的低成本聚丙烯腈基前驅(qū)體，比傳統(tǒng)的小直徑前驅(qū)體氧化速度快，同時以此來制備的碳纖維在性能要求上與工業(yè)級碳纖維一致。目前帝人集團已經(jīng)開始進行回收碳纖維生產(chǎn)方向的研究，并對開展碳纖維碳足跡的計算進行評估等。

碳纖維國內(nèi)發(fā)展歷程

國內(nèi)對碳纖維的研究起步不比國外的晚，70年代初就已經(jīng)開始組建研究團隊，但是質(zhì)量比國外差、成本又高，只能部分應(yīng)用于軍工領(lǐng)域。80年代中后期開始的很長一段時間，以美國為首的碳纖維企業(yè)，對軍用、航天、高端市場的碳纖維生產(chǎn)技術(shù)進行嚴格的技術(shù)封鎖，導(dǎo)致我國沒有且無法掌握對碳纖維的核心技術(shù)，一些昂貴的進口設(shè)備變成廢銅爛鐵，大大挫傷了國家對碳纖維的研發(fā)及投入的信心。

直到進入 21 世紀，在師昌緒先生的帶領(lǐng)和重視下，國內(nèi)才開始重視對碳纖維的再次研究、攻關(guān)。從威海光威，到中復(fù)神鷹，到恒神，到吉林碳谷，從國防到民用，從情懷到效益，我國的碳纖維發(fā)展也開始朝著高強高模低成本的方向快速發(fā)展。截止 2021 年，我國在軍用領(lǐng)域已基本實現(xiàn)碳纖維的國產(chǎn)化。

21世紀后 ，國內(nèi)碳纖維的研究及應(yīng)用飛速發(fā)展。由于近年來我國對軍機的需求、以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為首的航天技術(shù)的發(fā)展、民用航空的快速發(fā)展以及風(fēng)電葉片的大量需求等，讓國家對碳纖維全產(chǎn)業(yè)鏈的投入加大。2021 年江蘇恒神產(chǎn)值產(chǎn)量雙提升，實現(xiàn)恒神創(chuàng)建以來首次盈利，也迎來了國產(chǎn)纖維首次全行業(yè)盈利；2022年2月份，世界首創(chuàng)由碳纖維材料制備的北京冬季奧運會火炬外殼亮相。同時各碳纖維企業(yè)正在加大發(fā)展力度：2021年9月中國建材西寧萬噸碳纖維基地投產(chǎn)；10 月吉林化纖年產(chǎn)600噸的高性能碳纖維首條碳化線試車成功；2022 年 1 月上海石化的1.2萬噸/年的48 K大絲束碳纖維生產(chǎn)設(shè)備到場；2022年3月新疆隆炬新材料5萬噸/年的高性能碳纖維項目復(fù)工，2023年4月新疆隆炬48K大絲束碳纖維生產(chǎn)線試車成功；2023年4月，中復(fù)神鷹連云港3萬噸碳纖維項目正式開工，5月西寧2.5萬噸項目全面投產(chǎn)，預(yù)計2023年末中復(fù)神鷹年產(chǎn)能將達到2.85萬噸/年。

作為雙碳政策的基礎(chǔ)性材料產(chǎn)業(yè)，又是光伏、風(fēng)電、汽車等交通工具輕量化的重要支撐材料，未來我們還需加強碳纖維及其復(fù)合材料的規(guī)劃及戰(zhàn)略規(guī)劃，抓住窗口期，持續(xù)提升國內(nèi)碳纖維的研究及技術(shù)，實現(xiàn)全行業(yè)的飛躍，引領(lǐng)國產(chǎn)碳纖維再上新臺階。