應用多元化 國產貨發力 碳纖維產業正在發生哪些變化?
9月27—28日,由中國化工信息中心主辦的“2018’全國碳纖維產業發展大會”在昆明召開。本次大會以“應用創新產業發展”為主題,邀請了航空、衛星、船舶艦艇、高壓氣瓶、風機葉片、汽車等重要下游領域的權威專家,介紹當前碳纖維復合材料的最新應用和需求;同時,就碳纖維大絲束的生產、應用,生物質碳纖維的研究等話題展開討論。
需求年增13%~20%,促國產碳纖維發力
碳纖維及其復合材料是國家關鍵的戰略性新材料。近年來,碳纖維及其復合材料產業取得了快速發展,已先后突破了T700、T800等高性能纖維的千噸級產業化,標志著國產碳纖維產業具備了在下游高端領域如航空航天、軍工裝備等的應用基礎;而大絲束碳纖維的生產近兩年來也取得了驕人的成績,吉林化纖2000噸生產線已于去年底試車成功,上海石化也于近期成功開發出48K大絲束碳纖維的聚合、紡絲、氧化碳化成套工藝技術,為國產碳纖維在汽車、軌道交通、風電葉片等領域的廣泛應用提供了支撐。
中國化工信息中心主任 稅敏
中國化工信息中心主任稅敏在致辭中指出,盡管當前我國碳纖維及其復合材料的發展已經呈現出良好態勢,但相比發達國家仍然存在差距。發達國家對核心技術的壟斷與封鎖,使我國碳纖維生產技術和裝備水平整體落后于國外,無法滿足國家重大裝備等高端領域的需求。國內資本盲目涌入碳纖維領域,又導致了低水平重復建設、同質化現象嚴重,技術裝備以及下游產品開發應用等方面仍有大量的難題需要我們去攻克。隨著高性能復合材料的應用領域不斷拓展,將倒逼我國碳纖維產業加快創新的腳步。
自2014年以來,我國碳纖維需求以年均13%~20%的速度增長。2017年中國碳纖維總需求量比2016年增長20%,高于世界范圍增長水平。2017年碳纖維進口量為16087噸,同比增長0.8%,進口量增長較去年增長放緩,由此可以表明需求量在增長,進口量增長緩慢,國產纖維市場占比逐步增加,說明國產碳纖維供應開始發力。目前初步實現了國產GQ3522(T300級)和GQ4522(T700級)碳纖維產業化規模生產,QZ5526(T800級)、QM4035(M40J級) 碳纖維的工程化生產; GQ4522高性能碳纖維突破了干噴濕紡工藝,產業化生產及應用正在加速;此外,國內創新性開發了濕法紡絲GQ4522碳纖維制備工藝,產品已應用于航空領域;在實驗室條件下,QZ6026(T1000級)、QZ6526(T1100級)、QM4050(M55J級)碳纖維已經突破關鍵制備技術,但距離穩定化制備還有一段路要走。
光威復合材料股份有限公司副總工程師 馬全勝
雖然,我國已解決碳纖維“從無到有”的問題,但如何做到“從有到強”,還需國家給予更多的扶持,依然需要政府和全行業不斷探索。光威復合材料股份有限公司副總工程師馬全勝對國產碳纖維領域存在的問題給出這樣的見解:(1)產業失序 暗藏隱患;(2)報國同路 待遇不同;(3)裝備受制 短板明顯;(4)電價偏高 削弱優勢;(5)進口依賴 產用脫節。馬全勝認為,我國碳纖維產業尚處于發展階段,越是高科技戰略產業,越是容易被人卡脖子,要想改變被動局面,需動員多方力量投入攻關,才能將核心技術掌握在自己手里,不受制于人。從民企角度來看,往往由于其身份,資產權屬性問題,使得民企無法得到各重點型號相應的條件保障支持(如無法享受生產線建設、設備技改等資金補助)。從中國市場目前的實際情況看,絕大多數碳纖維企業是民營企業,這些民營企業在面對“碳纖維投資大、回報期漫長”的投資屬性時,主要是自己背負巨大的成本壓力。同時,他建議,未來我國碳纖維行業應重點關注:產業整合,重點扶持;不問出身,支持龍頭;電價補貼,定向扶持;軍民融合,深度推進。
吉林碳谷碳纖維股份有限公司總經理 張海鷗
吉林碳谷碳纖維股份有限公司總經理張海鷗介紹到,2017年,中國累計碳纖維(含制品)需求共計23487噸,其中大絲束的碳纖維需求量達到5960噸,占比達到25%。應用到風電葉片的碳纖維需求量達到3060噸,占到了中國總需求的12%。說明大絲束碳纖維在中國市場具有很大潛力。其主要可應用于航空用碳纖維復合材料、新興戰略重要基礎材料等高端領域,以及新能源汽車、軌道交通等工業領域。張海鷗表示,大絲束碳纖維原絲產業化應著力發展以下幾點:開發大容量穩定連續高效聚合,紡絲原液均質化、高速紡絲,有效控制原絲金屬元素含量,原絲低成本化、大規模化、高穩定化技術。
吉林精功碳纖維有限公司副總經理 馬仁龍
2017年國產碳纖維理論產能2.6萬噸,實現銷售7400噸,我國碳纖維生產仍以小絲束碳纖維為主,具備一定規模,絲束類型上,產品主要集中在 1K、3K、6K、12K 等較小絲束,對市場前景更好的 24K 及更大絲束型號尚屬空白。吉林精功碳纖維有限公司副總經理馬仁龍認為,應增加差別化產品,提高國產碳纖維競爭力。無論是國內還是國外,大絲束碳纖維復合材料應用在工業領域是占大多數,未來在汽車領域、壓力容器、風電葉片等工業領域將呈現較大規模增長;尤其在風電、汽車領域、壓力容器有望出現爆發式增長,在工業應用領域中,大絲束顯著的低成本優勢可以幫助企業提升盈利空間。
應用領域拓展,倒逼行業加快創新腳步
中航復合材料股份有限公司副總工程師 廖子龍
中航復合材料股份有限公司副總工程師廖子龍指出,當前復合材料已經成為民用飛機的主要結構材料。據國際復合材料協會的統計,在航空復合材料結構制造的綜合成本中,材料15%、鋪層25%、裝配45%、固化10%、緊固件5%。因此,低成本制造技術成為影響復合材料進一步擴大應用的主要因素。廖子龍指出,航空復合材料的低成本途徑可分為以下幾種:
廖子龍表示,當前,國外大力發展低成本的復合材料非熱壓罐成型技術;非熱壓罐成型技術已應用于民機次承力結構,并正在向主承力結構的應用方向發展。
中船重工第七二五所研究員 李想
在船舶艦艇應用方面,中船重工第七二五所研究員李想表示,高性能船舶的船體結構對耐疲勞、長壽命、抗沖擊等性能都有很高要求。李想指出,當前碳纖維復合材料應用面臨多種需要解決的共性問題,首先是碳纖維復合材料與金屬結構連接電化學長期可靠性問題:無論在船舶還是深潛器領域,碳纖維復合材料與金屬結構在海水環境由于電位差極易產生電化學腐蝕。其次是高深海應力下碳纖維復合材料性能退化與壽命評估技術:無論潛器還是潛艇,碳纖維在殼體應用不可避免面臨海水滲透/吸濕,在深海下其性能退化規律研究不足。再次是工藝技術:包括大厚度碳纖維復合材料固化應力控制技術和低成本大絲束碳纖維滲透率技術等。
中材科技(成都)有限公司技術中心主任 米寬
中材科技(成都)有限公司技術中心主任米寬介紹到,氣瓶是汽車、化工、機械、航天、造船、海洋開發等領域普遍采用的一種主要的儲氣壓力容器,復合氣瓶是氣瓶中的一種重要形式。復合材料氣瓶是在金屬或者非金屬內膽上環纏繞和全纏繞纖維材料組合結構的纏繞氣瓶。與金屬容器相比,復合材料氣瓶重量輕,纖維材質的比強度高,在減輕重量的同時提高氣瓶的承載能力。工作壓力越高重量優勢越大;對于35MPa、70MPa等高壓力儲氫氫氣瓶一般考慮使用碳纖維全纏繞復合氣瓶,即type Ⅲ和type Ⅳ氣瓶。此外,碳纖維復合材料氣瓶還具有耐環境性能好,使用壽命可達30年(玻璃纖維的使用壽命一般為15年),安全性高,具有爆破前先泄漏的疲勞失效模式等特點。米寬認為,隨著新能源汽車的不斷發展特別是氫能源汽車的發展,高壓復合材料氣瓶的需求量隨之增加,由于type Ⅲ和type Ⅳ氣瓶壓力高、重量輕等優勢,其占比亦會不斷提高。
江蘇澳盛復合材料科技有限公司博士 趙清新
2017年,全球累計碳纖維(含制品)需求共計84200噸,其中大絲束(24K以上)的碳纖維需求量達到34900噸,占比達到42%。應用到風電葉片的大絲束碳纖維需求量達到19800噸,占到了全球總需求的23%,增長趨勢明顯。據介紹,碳纖維的風電應用方式可以分為:大克重預浸料、碳纖維織物和加固碳板。江蘇澳盛復合材料科技有限公司博士趙清新表示,使用碳纖維風電葉片具有多種優勢,例如:可使風機葉片做的更長、發電功率更大,電機重量相應減輕,輔助設施也可以相應瘦身,運輸、安裝等難度降低,費用減少等。但同時,趙清新指出,碳纖維相較玻璃纖維材料來說,仍存在成本更高、韌性差,較難浸潤等問題,因此,未來應集中研究發展大絲束碳纖維、其工藝創新、熱塑性碳纖維復合材料葉片以及碳纖維復合材料的回收等方向。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所核能材料工程實驗室陳友汜介紹了“核用陶瓷復材的仿真與專用設備開發”。
良性發展還需標準先行
南京玻璃纖維研究設計院國家玻璃纖維產品質量監督檢驗中心、全國碳纖維標準化技術委員會秘書 馬丹
南京玻璃纖維研究設計院國家玻璃纖維產品質量監督檢驗中心、全國碳纖維標準化技術委員會秘書馬丹指出,當前碳纖維標準化工作存在以下5大問題:第一,碳纖維參與生產研發的部門多,應用的行業廣,又是軍民兩用產品,各自自成體系;第二,長期缺少專門的標準化技術組織,對標準缺少全面系統的規劃,又存在著多個標準并行,部分標準交叉重復甚至矛盾;第三,基礎標準欠缺,名詞術語、產品規格代號不統一,對標準的理解和使用習慣差異,導致同種材料測試結果對比性不強;第四,用戶不了解ISO標準、國家標準和ASTM標準;第五,材料標準不完善,影響和制約了產品的研制和性能提升,新標準宣貫力度不夠,部分試驗標準停留于企業/單位自身標準,影響了新標準的推廣使用
據介紹,我國碳纖維標準化工作可以分為三個階段:
第一階段(1980—1998) 起步階段
國內基本無碳纖維生產,主要為滿足軍工碳纖維復合材料的配套需求,制訂了3個試驗方法標準。
第二階段(1999—2010)推進階段
全面研制和發展我國玻璃纖維、碳纖維等增強纖維標準體系,制訂了從術語定義到試驗方法以及各類制品的一系列標準,并頒布實施,初步形成了我國增強材料的標準體系。
第三階段(2011—2018.5)發展階段
根據碳纖維產業快速發展的要求,針對碳纖維材料特性和應用需求,以科技攻關帶動標準研發,制定了涉及碳纖維基本表征參數和物理、化學、力學、電學等性能的測試方法,以及常規產品的技術標準。
馬丹指出,未來我國碳纖維標準化的重點行動計劃有8點:
做好全國碳纖維標準化技術委員的組織建設工作;
盡快制訂和完善碳纖維技術標準;
開展大型復合材料結構件用高強高模碳纖維多軸向織物、預成型體、展寬紗織物、預浸料等碳纖維制品標準的研制;
開展碳纖維復合材料與金屬結合件相關標準的研制;
圍繞軍民一體化應用需求,探索建立軍民融合的碳纖維及復合材料的標準合格評定計劃(Standard Qualification Plan)的制訂與實施;
完善碳纖維及復合材料產品數據庫;
謀劃建立碳纖維實驗室聯盟或測試平臺,推動碳纖維研發機構、生產企業和檢驗檢測機構資源共享;
推進成果向國際標準轉化,提出高質量的國際標準提案,努力爭取我國在碳纖維國際標準上的話語權。
廈門大學閩江學者特聘教授,博士生導師鄭志峰介紹了“生物質碳纖維”。
北京恒和頓知識產權代理有限公司總經理李宇嘉作“國際商標的注冊”報告。
會議間隙,與會代表進行了深入交流,現場氣氛熱烈。
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